但随着物理学家对质子的了解逐渐深入,他们发现事情远没有那么简单。在质子的内部,实际上还包含了将夸克束缚在一起的胶子,以及不断出现和消失的夸克和反夸克对。
根据描述夸克和胶子相互作用的量子色动力学(QCD),六种味的夸克都应该存在于质子内部。物理学家基本同意质子内部还存在着内在奇夸克(也就是第三轻的夸克),而QCD也告诉我们,每当一个奇夸克被创造,一个反奇夸克也必须出现。在最近的一项研究中,物理学家甚至还找到证据表明,质子内部还存在着比质子本身都重的内禀粲夸克。
除了原子,还有反原子和奇异原子!
欧洲核子研究中心(CERN)是目前世界上最强大的粒子加速器,它可以创造出完全由反物质构成的反原子。最简单的反原子是反氢原子,由一个正电子和一个反质子组成。
无论是反氢原子还是反质子,都可以被用于检验爱因斯坦的广义相对论的一个重要原理——弱等效原理。该原理告诉我们,所有处于相同引力场中的物体,无论其性质如何,都会经历相同的加速度。到目前为止,实验均表明弱等效原理不仅适用于物质,也适用于反物质。
除了反原子外,CERN还创造出了由物质和反物质构成的奇异原子。CERN有一台特殊的仪器,叫反质子减速器,它能够减缓那些以接近光速的速度进入该设备的反质子的运动。当反质子变慢后,科学家会将它们与冷却到接近绝对零度的液氦混合。其中一小部分的反质子会在液氦中被捕获,使原本绕氦原子核运行的两个电子中的一个被一起同城交友约会反质子取代,形成了能在短时间内保持稳定的反质子氦。
除了包含反质子的混合氦原子之外,其他奇异原子还包括μ子素(Muonium)和正电子素(positronium)。奇异原子被用来研究极小尺度上的物质和反物质之间的相互作用,这些相互作用是寻找新物理的重要工具。例如,通过沈阳同城约会奇异原子,科学家正在寻找神秘的暗物质和第五种力。