Swirling Forces, Crushing Pressures Measured in the Proton
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期待已久的利用光模拟引力的实验首次揭示了亚原子粒子内部能量、力和压力的分布。</context> <raw_text>0 欢迎收听Quanta科学播客。每一期，我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。物理学家们已经开始探索质子，就好像它是一个亚原子行星一样。他们是怎么做的？他们发现了什么？接下来就讲到这个。♪

这是《为什么的快乐》的第三季，我仍然有很多疑问。比如，我们所说的时间是什么？利他主义为什么存在？十一月在哪里？我在这里，我是天体物理学家兼联合主持人，随时准备应对任何事情。没错。我带来了A组。所以请做好准备。准备好学习吧。我是十一月。我是史蒂夫·斯特罗加茨。这是……量子杂志的播客，《为什么的快乐》。每隔周四都会发布新的剧集。

剖面图显示了粒子内部新发现的细节。质子的核心压力比任何其他已知物质形式都要强。到表面的中途，相互碰撞的力旋涡相互推挤，而整个行星比之前的实验所暗示的要小。

实验研究标志着理解构成每个原子并构成我们世界大部分物质的粒子的探索的下一阶段。

拉蒂法·埃洛-阿德里里是弗吉尼亚州纽波特纽斯托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的物理学家。她没有参与这项工作。我们真的认为这开启了一个全新的方向，这将改变我们看待物质基本结构的方式。这些实验确实为质子带来了新的光明。几十年来，研究人员一丝不苟地绘制了带正电粒子的电磁影响图。

但在新的研究中，杰斐逊实验室的物理学家们反而绘制了质子的引力影响图，即贯穿整个粒子并弯曲粒子内外时空结构的能量、压力和剪切应力的分布。研究人员通过利用光子对（光粒子）可以模拟引力子的特殊方式来做到这一点。这就是假设的传递引力的粒子。

通过用光子撞击质子，他们间接地推断引力将如何与之相互作用，实现了数十年来以这种替代方式探测质子的梦想。

塞德里克·洛尔斯是法国巴黎综合理工大学的物理学家，他没有参与这项工作。在过去的70年中，物理学家们通过反复用电子撞击质子，已经了解了大量关于质子的知识。

他们知道它的电荷从中心延伸大约0.8飞米，或千万亿分之一米。他们知道，进入的电子往往会掠过内部嗡嗡作响的三个夸克之一。简单回顾一下，夸克是具有分数电荷的基本粒子。

物理学家们还观察到了量子理论的极其奇怪的结果，在更强烈的碰撞中，电子似乎会遇到由更多夸克以及胶子（所谓的强力的载体，将夸克粘合在一起）组成的泡沫状海洋。

所有这些信息都来自一个设置。你向质子发射一个电子，粒子交换一个光子（电磁力的载体），然后相互排斥。这种电磁相互作用告诉物理学家带电物体夸克是如何排列的。但是质子远不止它的电荷。

彼得·施韦策是康涅狄格大学的理论物理学家。这非常令人兴奋。那么，例如，我们对粒子了解多少？我们知道总质量。

所以现在我们有，例如，来自电磁形状因子的信息，电荷是如何分布的。但是物质和能量是如何真正分布在质子内部的呢？我们不知道。施韦策大部分职业生涯都在思考质子的引力方面。具体来说，他对称为能量-动量张量的质子属性矩阵感兴趣。因此，能量-动量张量知道关于粒子的一切

都是已知的。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论将引力吸引描述为物体沿着时空曲线运动。

在这个理论中，能量-动量张量告诉时空如何弯曲。例如，它描述了能量的排列，这是时空扭曲的主要来源。它还跟踪动量如何分布的信息，以及哪里会有压缩或膨胀，这也会轻微地弯曲时空。

俄罗斯和美国的物理学家在20世纪60年代分别计算出，如果我们能够了解质子周围时空的形状，我们就可以推断出其能量-动量张量中所有已编入索引的属性。

这些包括质子的质量和自旋（这已经是已知的），以及质子的压力和力的排列。这是一种物理学家称之为“druck”项的集体属性，它来自德语中“压力”一词。一个全局属性只是质量，另一个只是自旋，还有一个与质量和自旋一样重要的属性。这就是“druck”项。没有人知道它是什么。因为到目前为止，我们还没有办法测量它。

尽管这种情况正在开始改变。在60年代，似乎测量能量-动量张量和计算droop项需要一个通常散射实验的引力版本。你向质子发射一个大质量粒子，让两者交换一个引力子（假设构成引力波的粒子），而不是质子。

但是由于引力的极端弱性，物理学家预计引力子散射发生的频率比光子散射低39个数量级。实验不可能检测到如此微弱的影响。

沃尔克·伯克特是杰斐逊实验室团队的成员。我记得我在学生时代读到过这个。他写在他的论文中的总结说，不幸的是，因为引力非常弱，我们可能永远无法了解关于粒子机械性能的任何信息。

他谈论的是像质子这样的粒子。引力实验在今天仍然是不可想象的，但在20世纪90年代末和21世纪初，物理学家申东志和已故的马克西姆·波利亚科夫分别进行的研究揭示了一种变通方法。总体方案如下。

当你轻微地向质子发射电子时，它通常会向其中一个夸克传递一个光子并掠过。但在十亿次事件中不到一次的事件中，会发生一些特殊的事情。进入的电子发送一个光子。夸克吸收它，然后在心跳之后发射另一个光子。关键的区别在于，这个罕见的事件涉及两个光子而不是一个，进入和传出的光子都是如此。

吉斯和波利亚科夫的计算表明，如果实验人员能够收集由此产生的电子、质子和光子，他们可以从这些粒子的能量和动量推断出两个光子发生了什么。而这个双光子实验基本上与不可能的引力子散射实验一样信息丰富。两个光子怎么能知道任何关于引力的信息呢？

答案涉及复杂的数学，但物理学家有两种思考这种技巧为什么有效的方法。光子是电磁场中的涟漪。它们可以用单个箭头（向量）来描述，该箭头位于空间中的每个位置，指示场的数值和方向。

引力子将是时空几何中的涟漪。这是一个更复杂的场，由每一点的两个向量的组合表示。捕获引力子将为物理学家提供两个向量信息。除此之外，两个光子可以代替引力子，因为它们也共同携带两个向量信息。但这是对数学的另一种解释。

在夸克吸收第一个光子到发射第二个光子之间的时间里，夸克沿着空间中的路径运动。通过探测这条路径，我们可以了解诸如围绕路径的压力和力之类的属性。这是物理学家塞德里克·洛尔斯的话。我们没有进行引力实验。我们可以提取一部分你将归因于能量动量张量的信息。

并且从初始动量张量来看，根据爱因斯坦相对论，它本质上是引力场的来源，我们说我们应该了解质子如何与引力子相互作用。杰斐逊实验室的物理学家在2000年收集了一些双光子散射事件。这一概念验证促使他们进行一项新的实验，一项实验

在2007年，他们将电子撞击质子的次数足够多，以积累大约50万次模拟引力子的碰撞。分析实验数据又花了十年时间。他们的时空弯曲特性指数从团队中提取了难以捉摸的Druk项，并在2018年在《自然》杂志上发表了他们对质子内部压力的估计。

他们发现，在质子的核心，强力产生难以想象的强度压力，1000亿万亿帕斯卡，大约是中子星核心的压力的10倍。离中心越远，压力就越低，最终会向内转。

这是伯克特的再次发言。这在原则上正是应该这样。内部必须有正压力。如果压力为负，它就会坍缩。而外部部分则相反，如果它是正的，它就会爆炸。所以这个质子根本不会稳定。所以这是实验的结果。它表明，是的，质子实际上是稳定的。杰斐逊实验室小组继续分析Druk项。

作为2023年12月发表的一篇综述的一部分，他们发布了剪切力的估计值。这些是平行于质子表面推动的内力。物理学家发现，靠近其核心，质子会经历一种扭转力，这种扭转力会在靠近表面的另一个方向被中和。这些测量也强调了粒子的稳定性。

根据施韦策和波利亚科夫的理论工作，人们已经预料到了这种扭曲。现在，他们正在使用这些工具以一种新的方式计算质子的尺寸。在传统的散射实验中，物理学家观察到粒子的电荷从其中心延伸约0.8飞米。这就是其组成夸克嗡嗡作响的区域。

但该电荷半径有一些怪癖。例如，在质子的中性对应物中子中，两个带负电的夸克倾向于悬挂在粒子的深处，而一个带正电的夸克则更多地出现在表面附近。

在这种情况下，电荷半径的结果是一个负数。这是施韦策再次发言。这并不意味着尺寸为负。它只是不是系统尺寸的忠实度量。新方法测量的是质子显着弯曲的时空区域。在一篇预印本中，杰斐逊实验室团队计算出这个半径可能比电荷半径小约25%，即只有0.6飞米。

从概念上讲，这种分析将夸克模糊的舞蹈平滑成一个坚实的行星状物体，压力和力作用于每一小块体积。

这个冻结的行星并没有完全反映质子在其所有量子荣耀中的样子，但它是一个有用的模型。或者正如施韦策所说：“这就像一种解释。然后你可能会想，‘嗯，它能给我们带来什么？’”物理学家强调，最初的地图是粗略的，原因有几个。首先，精确测量能量-动量张量需要比杰斐逊实验室所能产生的更高的碰撞能量。

该团队努力从他们可以获得的相对较低的能量中仔细推断趋势，但物理学家仍然不确定这些推断的准确性。

此外，质子不仅仅是它的夸克。它还包含胶子，胶子以其自身的压力和力四处晃动。双光子技巧无法检测胶子的影响。杰斐逊实验室的一个独立团队使用了涉及双胶子相互作用的类似技巧，在去年发表了这些胶子效应的初步引力图。但这同样也基于有限的低能量数据。

吉田隆是布鲁克海文国家实验室的物理学家。在杰斐逊实验室小组2018年的工作之后，他受到启发开始研究引力质子。这是一个快速步骤，对吧？他们根据他们所拥有的做了最好的事情。更清晰的质子夸克和胶子的引力图可能会在2030年代出现。

届时，目前正在布鲁克海文建设的电子-离子对撞机实验将开始运行。与此同时，物理学家正在推进数字实验。麻省理工学院的核与粒子物理学家菲亚拉·沙纳汉领导着一个团队，该团队从强力方程开始计算夸克和胶子的行为。

2019年，她和她的合作者估计了压力和剪切力，去年10月，他们估计了半径以及其他属性。到目前为止，他们的数字发现与杰斐逊实验室的物理发现大体一致。沙纳汉说，她对最近的实验结果和他们的数据之间的一致性感到非常兴奋。

即使是迄今为止获得的质子的模糊一瞥，也温和地重塑了研究人员对粒子的理解。

一些结果是实用的。在欧洲核子研究组织（CERN）（运行世界上最大的质子粉碎机大型强子对撞机的欧洲组织）中，物理学家先前曾假设，在某些罕见的碰撞中，夸克可以在碰撞质子的任何地方。但受引力启发的图谱表明，在这种情况下，夸克往往会聚集在中心附近。

弗朗索瓦-泽维尔·吉劳是杰斐逊实验室参与实验的物理学家。通过考虑我们在这里学到的东西，我们在这里研究的物理学，已经在CERN使用的模型已经更新了。新的地图还可以为解决质子最深奥的谜团之一提供指导。为什么夸克会结合成质子？

有一个直观的论点，因为每对夸克之间的强力随着它们距离越远而增强，就像橡皮筋一样，夸克永远无法逃脱它们的同伴。但质子是由夸克家族中最轻的成员构成的，轻夸克也可以被认为是延伸到质子表面之外的长波。

这张图表明，质子的结合可能不仅是通过橡皮筋的内部拉力，而且是通过这些波浪状的、拉长的夸克之间的一些外部相互作用。压力图显示强力的吸引力一直延伸到1.4飞米甚至更远，从而支持了这种替代理论的论点。

吉鲁说这不是一个明确的答案，但它表明这些带有橡皮筋的简单图像与轻夸克无关。阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。有关此故事的更多信息，请阅读查理·伍德的完整文章《旋涡状的力，质子中测量的巨大压力》，网址为quantummagazine.org。

量子杂志是一个编辑独立的在线出版物，由西蒙斯基金会支持，以增强公众对科学的理解。