質子質量

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更新時間: 2013-08-30

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簡介
質子質量之謎
原子核由質子和中子組成,質子則是由基本粒子———夸克和膠子構成。膠子傳遞強相互作用,並不是組成物質的成分,其質量為0。而夸克的質量只佔到質子的5%,那麼另95%來自於哪裡呢?在粒子物理學界,確知某事物的存在是一回事,而要了解它的機制則完全是另一回事。物理學家自1989年前發現質子的存在後,對這個問題一直感到模糊。
依靠全世界物理學家近20年的成果,以及「藍基因」超級計算機的運算能力,研究小組利用量子色動力學公式計算了質子、中子以及其他同類型粒子的質量,證實這另外95%的質量來源於夸克和膠子的相互作用和各自的運動。換言之,能量與質量在其中是可以互相轉換的,這正是愛因斯坦於1905年提出的狹義相對論的基礎觀點。
質能公式E=mc2表明能量和質量可以互相轉換,而光速是恆定不變的常數。科學家可利用它計算一定量的質量在轉化過程中所釋放的能量。迄今為止,E=mc2最著名的應用即是為製造原子彈提供理論基礎,但想要在亞原子粒子層面或是量子色動力學角度詮釋質能公式卻並不容易。因此研究人員表示,本次計算可看作是所實施過的最為重要的數字計算之一。
從理論的層面來講,該研究允許在超越當前模型的情況下,進行基礎物理的新探索;在應用計劃上,該結果標誌著粒子間強相互作用的研究已具備一定成熟度,其將會在歐洲大型強子對撞器(LHC)的實驗中起基礎性作用。
質子質量恆定及大小
電子-質子質量比
澳大利亞科學家的一項最新分析表明,電子-質子質量比在過去60億年中並沒有什麼顯著變化。這一發現無疑減輕了人們對於這一物理學基本常數會發生改變的擔憂。相關論文發表在6月20日的《科學》雜誌上。
科學家一直認為,電子-質子質量比是物理學中的一個恆定值,不隨時間和宇宙空間的變化而改變。直到2006年,一項發表在《物理評論快報》上的論文稱,該質量比在過去120億年中減少了0.002%。

Murphy研究小組

在最新研究中,由澳大利亞斯溫伯爾尼大學(Swinburne University)Michael Murphy領導的研究小組研究了來自距地75億光年外類星體的無線電波,它可能是一個巨大黑洞吞噬周圍物質時釋放出的。由於該輻射在60億年前穿過了一個包含有氨氣雲的星系,其光譜被部分吸收,留下了顯著的「指紋」特徵。而值得注意的是,這種特徵極為敏感地依賴於氨分子中質子和電子的質量比。
對比研究證實,60億年前無線電波穿過氨氣雲時的光譜吸收和今天的情況並無二致。這表明當時的電子-質子質量比沒有改變。Murphy表示,「如果我們發現這一數值或者其他一些常量發生了變化,那麼『標準模型』就走到了盡頭,我們需要拿出全新的物理學理論。」因此,新發現對許多物理學家來說,是一針「緩和劑」。
Murphy強調,人們有充分的理由來相信新的研究結果。與2006年研究中利用的氫分子相比,氨分子吸收的輻射波長對電子-質子質量比的依賴性更強。他說,「我們的約束條件比此前的要好10倍。」
領導2006年研究的荷蘭自由大學(Vrije Universiteit)物理學家Wim Ubachs表示,新的研究結果是「堅實可靠的」。不過,他認為有可能「調和」這兩次的研究結果——該常量在120億至60億年前發生了變化,而從60億年前到現在保持不變。
Murphy也覺得有這種可能。他說,「鑒於我們不知道如何預期該數值在整個宇宙中的改變,我們還不能根據一次觀測來說明其他的就是錯誤的。」

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