原子内部的神秘问题：科学家试图破解EMC效应之谜

原子核是质子和中子的紧密结合体，这些质子和中子聚集在一起，被所谓的强核力（又称强相互作用）束缚着。质子和中子的数量决定了原子是铁，是氧，还是氙，也决定了它是放射性的还是稳定的。

然而，没有人知道质子和中子（合在一起称为核子）在原子内部的行为。在原子之外，质子和中子有一定的大小和形状。每一个核子都由三种更小的粒子——夸克——构成。夸克之间的相互作用是如此强烈，以至于任何外力都不能使它们变形，即使是原子核粒子之间的强核力也不能。但几十年来的研究已经发现，这个理论在某种程度上是错误的。实验表明，在原子核内，质子和中子看起来远远超过它们应有的大小。物理学家发展出了两种相互竞争的理论，试图解释这种奇怪的不匹配，而且各自理论的支持者都相当肯定另一种理论是错的。不过，两个阵营都认为，无论正确答案是什么，都必须来自他们自己的领域之外。

华盛顿大学的核物理学家杰拉尔德·米勒（Gerald Miller）表示，至少从20世纪40年代开始，物理学家就知道核子在原子核内的运动轨道很小也很紧凑。核子的运动受到约束，几乎没有能量。由于受到强核力的限制，它们不太会四处弹跳。

1983年，欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家注意到一个奇怪的现象：电子束从铁原子上反弹的方式与它们从自由质子上反弹的方式非常不同。这很不寻常。如果氢原子里面的质子与铁原子里面的质子一样大，那电子应该会以同样的方式反弹。

起初，研究人员并不知道他们观察到的是什么。但随着时间的推移，科学家开始认为，这是一个大小的问题。由于某种原因，重原子核内的质子和中子看起来比它们在原子核外的时候大得多。研究人员将这一现象称为EMC效应，以偶然发现该现象的欧洲渺子合作组织（European Muon Collaboration，简称EMC）命名。该效应也可以延伸为，夸克在原子核的质子或中子内部的动量分布与在自由核子内部时明显不同，换句话说，构成质子和中子的夸克一旦被局限在原子核内，其运动速度便会大幅下降。在物理学家看来，EMC效应违反了现有的核物理理论。

奥尔·赫恩（Or Hen）是麻省理工学院的核物理学家，他提出了一个观点，可以解释研究人员观察到的事情。夸克是构成核子的亚原子粒子，会与给定的质子或中子发生强烈的相互作用，而不同质子和中子的夸克之间并没有很强的相互作用。核子内部夸克之间的强相互作用是如此之大，使核子与其他核子结合的强核力相形见绌。

“想象你坐在房间里，和两个朋友聊天，窗户是关着的，”赫恩说道，“一股微风在窗外吹拂。”房间里的三个人可以看作质子或中子内部的3个夸克，而窗外的微风就是质子或中子与外部其他核子之间的相互作用。即使有少量气流透过关着的窗户，也几乎不会影响到屋子里面的人。

换句话说，只要核子还在轨道上，核子之间的作用力就很难影响到核子内部夸克之间的相互作用。然而，赫恩指出，最近的实验表明，在任何给定的时间，原子核中大约20%的核子实际上在轨道之外。它们会与其他核子配对，以“短程关联”（short range correlations）发生相互作用。在这种情况下，核子之间的相互作用具有比通常情况高得多的能量。这是因为夸克已经突破其各自核子的壁垒，开始直接相互作用，而这种夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用强大得多。

赫恩表示，这些相互作用打破了夸克在单个质子或中子内部的隔离墙。组成一个质子的夸克和组成另一个质子的夸克开始占据同一个空间。这会导致质子（或中子，视情况而定）拉伸和模糊。它们成长得很快，尽管时间很短。这使原子核中所有核子的平均大小出现偏斜，从而产生EMC效应。

现在，大多数物理学家都接受这种对EMC效应的解释。在一些关键研究中与赫恩有过合作的杰拉尔德·米勒也同意这一观点。但并不是每个人都认为赫恩的团队解决了EMC效应问题。伊利诺斯州阿贡国家实验室的核物理学家伊恩·克罗伊特（Ian Cloet）表示，他认为赫恩的研究结论并没有得到数据的完全支持。

克罗伊特认为EMC效应问题仍然没有解决。这是因为，核物理学的基本模型已经包含了赫恩描述的许多短程配对。克罗伊特说：“如果你用这个模型来研究EMC效应，你将无法描述EMC效应。目前还没有人使用该框架成功解释了EMC效应。所以在我看来，这仍然是个谜。”

克罗伊特表示，赫恩及其合作者所做的实验工作是“勇敢的”，也是“非常好的科学”，但并没有完全解决原子核的问题。“很明显，传统的核物理模型……无法解释这种EMC效应，”他说，“我们现在认为，这种解释肯定来自QCD本身。”

QCD即量子色动力学（quantum chromodynamics），即控制夸克行为的规则体系。从核物理学转换到量子色动力学，有点像用不同的方式观看同一幅图像。核物理学就像用第一代翻盖手机观看，而量子色动力学则是在高分辨率电视上看图。高分辨率电视提供了更多的细节，但它的构建要复杂得多。

克罗伊特和赫恩都表示，问题在于描述原子核中所有夸克的完整QCD方程太难解了。克罗伊特估计，现代超级计算机要大约100年后才能达到解决这一难题的运算速度。即使今天的超级计算机速度足够快，这些方程也还没有发展到可以代入计算机的程度。

不过，克罗伊特认为，利用QCD来回答一些问题是可能的。现在，这些答案为EMC效应提供了新的解释：核平均场理论（Nuclear Mean-Field Theory）。

克罗伊特并不同意原子核中有20%的核子参与短程关联的观点。他指出，实验无法证明这一点，而且这个观点也存在一些理论问题。于是，他提出了一个新的模型。“我所了解的情况是，原子核内部有非常强大的核力，”他说，“这有点像电磁场，只不过它们是强力场。”

这些场的作用距离非常小，在原子核外的作用可以忽略不计，但在原子核内却非常强大。在克罗伊特的模型中，这些被他称为“平均场”的力场实际上会使质子、中子和介子（一种携带强核力的粒子）的内部结构发生变形。

“就像你把一个原子放在强磁场中，它的内部结构就会发生改变，”克罗伊特说道。换句话说，平均场理论物理学家认为，赫恩描述的密封房间其实并不严实，墙壁上的洞会让风吹进来，把夸克吹得四处都是，使它们拉伸。

克罗伊特承认，短程关联可能解释了一部分EMC效应；而赫恩表示，平均场可能也起了作用。问题是，哪一个占主导地位？

米勒也与克罗伊特有过广泛的合作，他表示，平均场的优势在于理论基础更加扎实，但克罗伊特并没有做所有必要的计算。目前，大量的实验证据表明，赫恩在这场争论中占了上风。

赫恩和克罗伊特都表示，未来几年的实验结果很可能会解决这个问题。赫恩提到了弗吉尼亚州杰弗逊国家加速器中心正在进行的一项实验。研究人员将在该实验中观察核子一点一点相互靠近时的变化。克罗伊特表示，他希望看到的是一个“极化EMC实验”，该实验将利用质子自旋（一种量子特性）来打破这种效应。或许这个实验能揭示EMC效应的未知细节，从而有助于下一步的计算。

这是一场友好的辩论。“这很棒，因为这意味着我们仍在取得进展，”米勒说，“最终，一些东西将会出现在教科书里，比赛也尘埃落定。事实上，有两个竞争的理论意味着这个问题令人兴奋，而且充满活力。现在，我们终于有了解决这些问题的实验工具。”

至于未来会发生什么，让我们拭目以待吧。（任天）