我們能造出三體人的秘密武器“水滴”嗎？

曹俊　郭萬磊

在劉慈欣的科幻小說《三體》中，三體入其實從未與人類謀面，幾百年內，三體人賴以威懾、奴役地球人的，是兩顆質子大小的“智子”和一個3.5米長的“水滴”探測器。

“智子”是間諜，除傳話外，還負責擾亂高能加速器，鎖死人類的基礎科學研究。“水滴”則充當殺手，它依靠簡單的撞擊，在30分鐘內殲滅了人類的太空武裝力量——2000艘恒星級戰艦及百萬太空軍。

在書中，“水滴”是用“強相互作用力材料”制造的，它不像眼淚那樣跪弱，相反，它的強度比太陽系中最堅固的物質還要高百倍，這個世界中的所有物質在它面前都像紙片般跪弱，它可以像子彈穿透奶酪那樣穿過地球，表面不受絲毫損傷。

如果我們想要仿制出三體人的這種秘密武器，那么，最關鍵的問題是要找到這種“強相互作用力材料”，可是，它真的存在嗎？

想要了解“水滴”，得先了解夸克

我們現在知道，自然界共有4種基本力：強力、電磁力、弱力、引力。到了微觀層面，“力”的概念不再像日常生活中碰到的力那樣，而是表現為粒子跟粒子之間的“相互作用”，因此又稱為強相互作用、電磁相互作用等。我們世界中的所有物質，其實都是電磁力維系的，而強力的強度是電磁力的100倍。假設存在靠強力來維系的材料，自然比現在最堅固的物質還要堅固百倍。

如果把原子比作構建物質世界的磚塊，我們的世界就是由100多種不同的“磚塊”搭建而成。原子其實是塊“空心磚”，它由更小的磚塊——原子核和核外電子構成。原子核的直徑僅為原子的幾萬分之一，絕大部分空間都是空的。原子核又由更小的質子和中子組成。從強力的角度看，質子和中子幾乎是一樣的，因此統稱“核子”。如果壓縮掉電子與核子之間的虛空，比如由恒星內核塌縮而形成的中子星，密度就高得驚人。將地球上的所有海水壓縮成這種物質，其大小剛夠填滿北京的“水立方”游泳館，而渤海的海水則剛好可以裝進《西游記》里觀音凈瓶那般大小的瓶子。

核子也不是最小的磚塊，它由更小的“夸克”組成。夸克共有6種，再加上電子、繆子、陶子，以及對應的3種中微子，這12種粒子（還有它們的反粒子）才是物質世界最小的“磚塊”。

只有夸克才參與強相互作用。強力的作用范圍很小，只發生在原子核內部。把多個核子束縛我們的世界就是由不同的粒子組成的供圖，視覺中國成原子核的核力，也不是真正的強力，而是強力的剩余作用。我們已知的所有材料都由原子組成，而原子的尺度遠遠超過強力的作用范圍。原子核和核外電子通過電磁力維系，因此材料強度都由電磁力決定。

要形成“強相互作用力材料”，首先夸克之間要靠得足夠近，進入強力的力程范圍，不能被電子分割成遙遠的“小島”。中子星倒是滿足這個條件。不過，中子星的物質形態仍然是一個個的中子，并不是“強相互作用力材料”。如果不是極大的引力擠壓，它馬上就會煙消云散。

除了質子和中子，強相互作用還能形成哪些東西？由強相互作用形成的粒子，稱為“強子”，包括兩類，一類由3個夸克（或者3個反夸克）組成，稱為“重子”，例如質子和中子；另一類由一對正反夸克組成，稱為“介子”。重子中，只有質子和待在核內的中子是穩定的，其他都不能穩定存在，在加速器或者宇宙射線的撞擊中偶然產生后，轉瞬即逝。而所有介子都不能穩定存在。

那么問題來了，為什么只有這兩類呢？為什么不能有2個夸克組成的粒子，或者有100個、1萬個夸克組成的材料呢？老實說，我們迄今也沒搞清楚。

我們有一個很好的描述強力的理論，稱為“量子色動力學”，它基于量子場論，是關于紅、綠、藍3種“色”量子數的“動力學”理論。原則上，它可以精確預言夸克能組成什么樣的粒子，精確預言“強相互作用力材料”是否存在，性質如何。在能量很高的時候，它確實能夠做出準確預言，并得到了大量實驗證實。但不幸的是，將夸克束縛成粒子的過程，相對而言能量較低，量子色動力學很難求解。同時，我們迄今也不理解為什么帶“色”的粒子不能單獨存在——組成一個粒子的夸克，其“色”必須中和，稱為“色禁閉”。正是因為存在這些不解之謎，我們現在還不能準確預言強力能形成哪些粒子和物質，需要更多的實驗數據、發展新的計算方法。

“強相互作用力材料”原來就是它

盡管不能精確求解量子色動力學，人們還是可以通過一些近似來建立模型。有些模型就預言了重子和介子以外的粒子。幾十年來，對這樣的新粒子的尋找就在真真假假的實驗信號中磕磕絆絆地進行。2004年的國際高能物理大會上，據傳為“五夸克態”的Theta粒子被否定，總結發言的英國理論物理學家Frank Close將20多位歌頌“五夸克態”的理論家嘲笑了一通。然而，201 3年北京正負電子對撞機上發現了一個既不屬于重子也不屬于介子的新粒子Zc（3900），很可能是一個四夸克態，被美國物理學會雜志《物理》評為當年十一項重大成果之首。2015年，清華大學利用歐洲大型強子對撞機發現了一個新粒子，被認為是五夸克態。此外，還有一種可能存在的新粒子，由傳遞強力的膠子組成，稱為“膠子球”，但至今仍然沒有找到。

這些新粒子告訴我們，強力也可以將超過3個的夸克束縛在一起。如果像大量原子排列形成晶體那樣，大量夸克由強力直接束縛成材料，那就是我們尋找的“強相互作用力材料”。正如前文所說的，量子色動力學很難求解，只能依靠模型來預言是否存在新粒子或者“強相互作用力材料”，而模型往往不那么可靠，又需要實驗來驗證或者調節參數。

蹤跡難尋的奇異夸克物質

20世紀70年代初，有科學家認為，當物質密度足夠高時，組成核子的“上夸克”和“下夸克”可以部分轉換成另一種夸克——“奇異夸克”，形成“奇異夸克物質”，由數量大致相同的上夸克、下夸克、奇異夸克以及少量的電子組成，可能是能量更低、更穩定的狀態。就像鐵元素可以是一個原子，可以組成一塊鐵板，也可以構成一顆恒星的星核一樣，奇異夸克物質可能跟核子差不多重，稱為“奇異子”；也可能由上千上萬個夸克排列組成，稱為“奇異核素”；甚至可以比太陽還重，稱為“奇異夸克星”。

1984年，著名理論物理學家愛德華·威騰進一步證明，在很大的參數空間內奇異夸克物質絕對穩定，也就是說，理論上它很可能是存在的。其他的科學家也得到了相似結論，并給出奇異夸克物質的密度約為每立方厘米4億噸。

假如奇異夸克物質確實存在，也只有極其劇烈的過程才可能產生，比如宇宙大爆炸、超新星爆發、中子星的碰撞或者超高能宇宙線與地球的相互作用。科學家還嘗試將重離子加速到極高能量，通過碰撞人工產生奇異子。

奇異夸克物質遠遠重于普通原子核，因此有很多獨特的性質，可以用來尋找它的蹤跡。國際空間站上的阿爾法磁譜儀，曾利用磁場作用下的運動軌跡尋找過單個的奇異子。

奇異核素擁有比奇異子更強的穿透能力，質量重于0.1克的奇異核素能夠輕松地穿透地球。在穿過巖石等普通物質時，奇異核素會與其徑跡上的原子發生彈性碰撞，形成高溫等離子體激波，溫度可達1萬度以上。這樣一來，奇異核素就會在普通物質中留下燒蝕徑跡并發出光。如果奇異核素穿過的物質是地球大氣或是透明的水，這些光就會被我們的肉眼或是實驗儀器觀測到。

位于地中海的ANTARES中微子實驗就在尋找奇異核素穿過深海時產生的光，不過他們找到的疑似事例大部分都是由海洋發光生物造成的。基于燒蝕徑跡這一特點，意大利格蘭薩索國家實驗室的MACRO實驗和玻利維亞5千米高原上的SLIM實驗也在尋找奇異核素。美國在實施阿波羅計劃時在月球上放置的5個地震觀測站，也被用來尋找奇異核素。還有人提出，1908年通古斯大爆炸可能就是由奇異核素導致的。

也許奇異夸克物質根本就不存在，但從現有的理論模型看，它是可以有的。萬一真的存在呢？

（責任編輯：白玉磊 責任校對：夏越）endprint