质子缩小了，谁在捣鬼？.docVIP

质子缩小了，谁在捣鬼？ 　　有个谜近年来一直居于原子的“心”中，赶之不去，物理学家对此不知所措。这个谜团始于2010年。这一年，当德国马克斯?普朗克研究所的物理学家对质子半径做了迄今最精确的测量之后，发现它比原先一贯认为的要小4%。 　　你或许认为，这点差异算不上什么。但要知道，粒子物理学被认为是人类迄今最精确的科学，在那里，有时候理论预言和实验测量能够相符到小数点后面第10位。而现在，小数点后面第2位就出差错了。你说，这不是太丢脸了么？ 　　最简单的原子――氢原子 　　虽然对于日常的物体，测量长度并非难事，但对于像质子这样的微观粒子，我们却无法直接测量其半径，只能靠间接的办法推算出来。一个办法是通过质子和电子的相互作用来推算。 　　我们知道，自然界中最简单的原子是氢原子，别的原子核里都有中子，唯独氢原子核里没有中子，只有一个质子，核外也只有一个电子。 　　量子力学告诉我们，原子中的电子只能在核外的特定轨道上运动。这些轨道对应不同的能级，最低的叫“基态”，比基态高的依次叫“第一激发态”、“第二激发态”……基态只有一个，激发态却有很多个。电子就像杂技团在球形场地表演的摩托车一样，平地上行驶好比是基态，速度快了就会在不同高度的墙上变换行驶，高度越高，激发态的能量也就越高。 　　但电子对光子的吸收是有选择性的，不是照单全收的，而是只选择合自己“胃口”的。换句话说，只吸收某些特定能量的光子。因光子的能量跟其波长直接相关，所以表现在波长上，就是只吸收某些特定波长的光波。 　　举例来说。氢原子核外的那个电子，其能量最低的轨道是-13.6电子伏特，第二条轨道能量为-3.4电子伏特。处于最低能量轨道的电子吸收了一个能量为10.2电子伏特的光子，它就会跑到第二条轨道上去。那么，它如果吸收了能量为3.6电子伏特的光子，会不会跑到能量为-10电子伏特的轨道上去呢？对不起，氢原子的能级轨道是限定死的，-10电子伏特的轨道压根儿不存在，所以电子对于3.6电子伏特的光子压根儿不吸收。电子释放光子的情况也与此相仿。 　　一般情况下，原子因为核外电子众多，能级结构复杂，但氢原子核外只有一个电子，所以它的能级结构是最简单的。 　　质子半径缩小了 　　所以，通过测量处于激发态的氢原子吸收或释放的光子能量，物理学家就能够计算出电子在核外运动所允许的那些轨道的半径。因在氢原子中，电子的运动完全受制于质子对它的静电吸引，理论上就可以计算出质子需要多大的半径才能使电子在这些轨道上运动。 　　这个道理就好比说，在计算月球绕地球运动时，虽然在理论上可以近似地把地球和月球都当作一个点来计算，只算这两个点的质量，而不考虑它们的大小。但要想得到精度更高的结果，地球和月球自身的大小必须予以考虑。反之，得到了有关它们运动精确度非常高的结果，又可以反推出它们自身的大小。 　　在氢原子的例子中，电子因为实在太小，我们还是可以把它当作没有尺寸的点来处理，但质子的大小却必须予以考虑，因为这对核外电子的运动有着微妙的影响。通过对电子轨道半径高精度的测量，就可以反推出质子半径有多大。 　　这个办法给出的质子半径是大约0.877费米（1费米=10-15米），而氢原子的半径大约为0.79埃（1埃=10-10米）。质子与氢原子半径之比，相当于一个篮球与地球半径之比。 　　这是前人的数据。2010年，德国物理学家想出一个新办法来测量质子的半径。他们用一种叫μ子的介子代替氢原子中的那个核外电子，制造出一个μ子版的“氢原子”。μ子跟电子一样，也带有一个单位的负电荷，但质量是电子的200多倍，按我们迄今的知识，它跟质子也只有静电力作用。它的“大块头”意味着它能量最低的轨道，即基态轨道，更靠近质子（它的基态轨道距离质子就只有电子距离质子的1/200），因而对质子半径更敏感。 　　为什么越靠近质子，对质子半径就越敏感呢？这个道理是不难理解的。就拿一个绕地球运动的物体来说：如果它离地球非常遥远，可以把地球当作一个没尺寸的点来处理；如果离得比较近，就不能不把地球当作一个球来处理了；再近些，连地表的大海和山脉都要一并考虑进去了，比如勘探卫星，在它掠过地表时，因地球各地区的密度不等，它受到的地球引力也会发生微妙的变化，根据这个变化可以勘探出地壳里的矿藏…… 　　所以，基于μ子测量所得的质子半径，比之前基于电子的测量结果，精度要高得多。测量结果是，质子的半径0.8418费米，比先前小了大约4%。 　　这个结果太出乎意料了。2012年，他们又重复了实验，这一次比前一次还精确。但结论没变，质子半径就是小了4%。 　　存在新的基本作用力？ 　　对于这个结果，目前科学家们给出三种解释。 　　第一种可能是，先前基于电子的质子半径数据有误。但这个数据已经沿用了数十年，如果有误，不应该到