近日，北京正負(fù)電子對撞機(jī)獲得重大成果。其實(shí)驗(yàn)裝置北京譜儀Ⅲ合作組首次測得X(2370)粒子的量子態(tài)性質(zhì)，其質(zhì)量、產(chǎn)生和衰變性質(zhì)都與人們長久以來尋找的膠球特性一致。

粒子物理學(xué)充滿了各種矛盾的東西，其中一些稱為膠子的粒子表現(xiàn)得尤其奇怪。根據(jù)定義，膠子是所謂強(qiáng)相互作用的量子載體，它結(jié)合質(zhì)子和中子內(nèi)部的夸克。也許在這一點(diǎn)上，我們需要談?wù)劕F(xiàn)代量子物理學(xué)如何構(gòu)想基本粒子的相互作用。

在量子場論中，任何粒子的相互作用都被描述為這些粒子與其他粒子交換的結(jié)果。例如考慮兩個(gè)粒子之間的電磁相互作用，具有相同電荷的電子相互排斥，量子場理論將這種排斥解釋為電子交換光子的結(jié)果。

這種現(xiàn)象可以用經(jīng)典力學(xué)中的一個(gè)簡單類比，想象兩個(gè)人靜止漂浮在空間中并來回傳一個(gè)球。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人扔出球時(shí)，根據(jù)動量守恒定律他要向后移動。當(dāng)?shù)诙€(gè)人接住球時(shí)，他吸收傳遞給他的動量也會開始向后移動。當(dāng)?shù)诙€(gè)人繼續(xù)扔球時(shí)，上述分析的情況繼續(xù)發(fā)生。隨著一次次的扔球接球，如果我們從不可見球的遠(yuǎn)處觀察，就會覺得兩個(gè)人好像受到某種排斥力一樣，盡管實(shí)際上他們只是來回傳遞球。

電子之間的斥力以非常相似的方式工作，只是他們傳遞的是光子而不是球。不過，這樣的類比我們很難想象，光子的交換是如何導(dǎo)致帶相反電荷的粒子之間的吸引力。因此，量子物理學(xué)中的類比應(yīng)該謹(jǐn)慎對待。

回到量子場論，負(fù)責(zé)介導(dǎo)相互作用的粒子被稱為規(guī)范玻色子。涉及夸克的強(qiáng)相互作用的載體是膠子。夸克是已知的最小的物質(zhì)組成部分，正是由于夸克之間的這種相互作用驅(qū)動的吸引力，才能形成質(zhì)子和中子。

介導(dǎo)電磁相互作用的光子本身并不參與這種相互作用，因?yàn)楣庾拥碾姾蔀榱恪５菍τ谀z子來說，情況要復(fù)雜一些，它們參與夸克和夸克之間的強(qiáng)相互作用，并且這種相互作用正是通過其他膠子的交換而發(fā)生的。這里的情況是非常詭異的，當(dāng)一個(gè)夸克向另一個(gè)夸克發(fā)射一個(gè)膠子時(shí)，該膠子立即與每個(gè)夸克相互作用并產(chǎn)生額外的膠子，而這些膠子還會與兩個(gè)夸克、初始膠子彼此相互作用，從而產(chǎn)生新的膠子。就這樣，膠子反過來會產(chǎn)生更多的膠子，膠子數(shù)量呈現(xiàn)爆炸性增長。

但事實(shí)上，它會受到一些限制。單個(gè)膠子在被其他粒子吸收之前，僅存在大約10^-23秒。膠子誕生和吸收的過程大約發(fā)生在相同的時(shí)間，因此膠子數(shù)量在任何給定時(shí)刻都大致保持恒定。順便說一句，人們常說質(zhì)子或中子由三個(gè)夸克組成，但實(shí)際上這并不完全準(zhǔn)確，每個(gè)這樣的粒子內(nèi)部都存在大量的夸克和反夸克，自發(fā)地從真空中產(chǎn)生并在幾分之一秒后相互湮滅。

我們可以通過一定的能量從原子中移除一個(gè)電子：如果你試圖從原子核中移走電子，它們的相互作用能就會減弱；如果電子移動得足夠遠(yuǎn)，相互作用能就會變得如此弱，以至于可以忽略。但夸克是完全不同的，因?yàn)槟z子可以無序地繁殖，產(chǎn)生新的膠子，直到它們被夸克吸收。夸克移得越遠(yuǎn)，膠子的壽命就越長，在此過程中產(chǎn)生的膠子就越多。因此，當(dāng)移走夸克時(shí)，膠子的總數(shù)和能量會增加，從而導(dǎo)致強(qiáng)相互作用強(qiáng)度的增大。

當(dāng)我們試圖移走一個(gè)夸克時(shí)，我們所施加的能量足以產(chǎn)生新的夸克。所以，夸克不會單獨(dú)存在，它僅會存在于某些夸克膠子組合中，這被稱為夸克禁閉。但是，如果向質(zhì)子或中子傳遞非常高的能量，我們?nèi)匀豢梢詫⑵浞纸猓瑢?dǎo)致其組成的夸克向不同方向散射。能量立即轉(zhuǎn)移到復(fù)合粒子，凝結(jié)成一片額外的膠子、夸克和反夸克的海洋，即所謂的夸克膠子等離子體。

這種狀態(tài)極其不穩(wěn)定，會在很短的時(shí)間內(nèi)塌縮回質(zhì)子或中子的狀態(tài)，而且強(qiáng)大的能量場可以產(chǎn)生其他粒子，這是在像大型強(qiáng)子對撞機(jī)這樣的加速器中尋找新粒子背后的原理。

現(xiàn)在最有趣的是，理論上膠子可以凝結(jié)成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，除了膠子本身之外什么都沒有。我們談?wù)摰氖悄z球，其中膠子的誕生和吸收過程是平衡的，或更準(zhǔn)確地說，累積的膠子能量保持恒定。如果我們對其進(jìn)行優(yōu)化，使其增加或減少它們所包含的膠子數(shù)量，那么這會增加每個(gè)膠球的能量。

增加系統(tǒng)總能量的過程通常不會自然發(fā)生，因此正確構(gòu)造的膠球無法合并成一個(gè)更大的膠球，同樣也無法將較大的膠球分解成較小的膠球。就尺寸而言，它們半徑的量級可與質(zhì)子或中子相媲美。與光子類似，盡管單個(gè)膠子不具有質(zhì)量，但當(dāng)團(tuán)結(jié)在膠球中時(shí)，它們確實(shí)攜帶能量，這種能量會表現(xiàn)為外部質(zhì)量。

根據(jù)計(jì)算，由許多無質(zhì)量膠子組成的膠球應(yīng)該是大質(zhì)量的，比質(zhì)子重幾倍甚至幾十倍，可以產(chǎn)生影響其他物體的引力場。無論是單個(gè)膠子，還是它們形成的膠球，都沒有電荷，這意味著它們不參與電磁相互作用，因此不與包括可見光在內(nèi)的電磁波相互作用。另外，膠球也不參與弱相互作用。

本質(zhì)上，引力是膠球與周圍世界之間相互作用的唯一手段。需要注意的是，引力是所有基本相互作用中最弱的，在微觀世界的規(guī)模上微不足道，因此常常被忽視。從粒子物理學(xué)的角度來看，膠球是極端內(nèi)向的，對外部事件幾乎不感興趣，并且表現(xiàn)得幾乎像完美的隱形人，因?yàn)樗鼈儙缀鯊牟伙@現(xiàn)自己。這正是物理學(xué)家對膠球高度感興趣的原因。