旋轉的力量，壓力在質子中的測量
https://www.quantamagazine.org/swirling-forces-crushing-pressures-measured-in-the-proton-20240314/
Charlie Wood
期待已久的實驗首次利用光來模擬重力，揭示了亞原子粒子內部能量、力和壓力的分布。
物理學家已開始探索質子，就像它是一個亞原子行星一樣。切面圖顯示了粒子內部的新發
現細節。質子的核心壓力比任何已知的物質形態都要強烈。在到達表面的半途中，力的漩
渦相互碰撞。整個“行星”比先前的實驗所建議的還要小。
這些實驗性調查標誌著瞭解構成我們世界大部分的粒子的下一階段。
“我們真的認為這開啟了一個全新的方向，將改變我們看待物質基本結構的方式，”弗吉
尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施的物理學家拉蒂法·埃洛德里里說。
這些實驗實際上為質子投射了新光。數十年來，研究人員已經詳細地繪製出這個帶正電的
粒子的電磁影響。但在新的研究中，傑斐遜實驗室的物理學家則在繪製質子的引力影響—
—特別是其內部能量、壓力和剪切應力的分布，這些分布彎曲了圍繞粒子的時空結構。研
究人員利用光子對的一種特殊方式來模擬引力子——假設的傳遞引力的粒子。通過用光子
撞擊質子，他們間接推斷出引力將如何與其互動，實現了數十年來以這種替代方式詢問質
子的夢想。
“這是一次技術上的展示，”在法國經濟合作與發展組織工作的物理學家塞德里克·洛爾
斯說。“在實驗上，這極其複雜。”
從光子到引力子
物理學家在過去70年中通過不斷地用電子擊中質子，了解了許多關於質子的知識。他們知
道它的電荷大約從中心向外延伸0.8飛米（或百萬分之一毫米）。他們知道，來襲的電子
傾向於偏離其中三個夸克——帶有電荷份額的基本粒子——在其中活動。他們還觀察到量
子理論的一個非常奇特的後果，在更強力的碰撞中，電子似乎遇到了由遠夸克及膠子（強
力的載體，將夸克黏在一起）構成的泡沫海洋。
所有這些資訊都來自於一個單一的設置：你向一個質子發射一個電子，粒子之間交換一個
光子——電磁力的載體——並將彼此推開。這種電磁互動告訴物理學家夸克作為帶電對象
如何趨於排列。但質子的特性遠不止於其電荷。
物理學家彼得·施魏策是康涅狄格大學的理論物理學家，他問道：“物質和能量是如何分
布的？”他回答：“我們不知道。”
施魏策的職業生涯大部分時間都在思考質子的引力方面。具體來說，他對質子的一個特性
矩陣—稱為能量-動量張量的東西很感興趣。“能量-動量張量知道關於粒子的所有知識。"
在愛因斯坦的廣義相對論中，這種理論將引力吸引描述為物體在時空中沿曲線運動，能量
-動量張量告訴時空如何彎曲。例如，它描述了能量（或等效的質量）的配置——這是時
空扭曲的主要來源。它還追踪有關動量分佈的信息，以及哪裡會有壓縮或擴張，這也會輕
微地彎曲時空。
如果我們能了解圍繞質子的時空形狀，俄羅斯和美國的物理學家在1960年代獨立地算出，
我們就能推斷出其能量-動量張量中索引的所有屬性。這些屬性包括已知的質子質量和自
旋，以及質子壓力和力的配置，這是物理學家稱之為“Druck項”的集合屬性，源於德語
中的壓力一詞。施魏策表示，這個術語“和質量與自旋一樣重要，但沒有人知道它是什麼
，”儘管這種情況正在改變。
在60年代，人們認為，測量能量-動量張量和計算Druck項將需要一種引力版本的常規散射
實驗：你向質子發射一個質量大的粒子，讓兩者交換一個引力子——假設的構成引力波的
粒子——而不是光子。但由於引力的極度微弱，物理學家預計引力子散射的發生率比光子
散射低39個數量級。實驗無法檢測到如此微弱的效應。
“我記得我還是學生時讀過這個，”傑斐遜實驗室團隊的成員沃爾克·布爾克特說。結論
是“我們可能永遠無法了解粒子的機械屬性。”
不用引力的引力實驗
到今天為止，進行引力實驗仍然是不可想像的。但是，在1990年代末和2000年代初，物理
學家季向東和已故的馬克西姆·波利亞科夫獨立工作，揭示了一種變通方法。
其基本方案如下。當你輕輕地向一個質子發射一個電子時，它通常會向其中一個夸克交付
一個光子並擦過。但在十億分之一的事件中，會發生一些特別的事情。來襲的電子發送一
個光子。一個夸克吸收它，然後在一瞬間後發射另一個光子。關鍵的不同是，這種罕見的
事件涉及兩個光子而不是一個——兩個來和去的光子。季和波利亞科夫的計算顯示，如果
實驗家能收集到結果中的電子、質子和光子，他們可以從這些粒子的能量和動量推斷出這
兩個光子發生了什麼。而這種雙光子實驗本質上與不可能的引力子散射實驗一樣具有信息
量。
https://tinyurl.com/mr28xkfv
兩個光子如何能瞭解到有關引力的信息？答案涉及到複雜的數學。但物理學家提供了兩種
思考這個技巧有效的方式。
光子是電磁場中的漣漪，可以用空間中每個位置的單一箭頭或向量來描述，這個向量指示
場的值和方向。引力子則是時空幾何的漣漪，這是一個更複雜的場，每個點由兩個向量的
組合來表示。捕捉到一個引力子會給物理學家提供兩個向量的信息。在這之前，兩個光子
可以代替引力子，因為它們也共同攜帶兩個向量的信息。
對數學的另一種解釋如下。在夸克吸收第一個光子和發射第二個光子之間的瞬間，夸克沿
著空間中的一條路徑移動。通過探測這條路徑，我們可以學習到像路徑周圍的壓力和力這
樣的性質。
“我們不是在做一個引力實驗，”洛爾斯說。但是“我們應該能間接獲得質子應如何與引
力子互動的信息。”
探索質子行星
傑斐遜實驗室的物理學家在2000年收集到了一些兩光子散射事件。這個概念的驗證激勵他
們建立一個新實驗，在2007年，他們足夠多次地將電子撞向質子，累積了大約500,000個
模仿引力子的碰撞。分析實驗數據又花了另外十年。
從他們彎曲時空性質的索引中，團隊提取出了難以捉摸的Druck項，並在2018年在《自然
》雜誌上發表了對質子內部壓力的估計。
他們發現，在質子的核心，強力產生難以想像的強度壓力——100億兆兆兆帕斯卡，大約
是中子星核心壓力的10倍。從中心向外，壓力下降並最終向內轉，這是質子不自我爆炸的
必然。布爾克特說：“這是實驗的結果，”“是的，質子實際上是穩定的。”（不過，這
一發現與質子衰變無關，後者涉及到一些推測性理論預測的不同類型的不穩定性。）
https://tinyurl.com/4ycyb7yb
傑斐遜實驗室的團隊繼續分析Druck項。他們發布了一項關於剪切力的估計——這是沿著
質子表面平行推動的內部力量——作為12月發表的一篇評論的一部分。物理學家發現，在
質子核心附近，質子經歷了一種扭曲力，這種力量被靠近表面的另一個方向的扭曲中和了
。這些測量也強調了粒子的穩定性。根據Schweitzer和Polyakov的理論工作，這種扭曲是
預期中的。“儘管如此，首次從實驗中看到它的出現真是令人驚訝，”Elouadrhiri說。
現在，他們正在使用這些工具以一種新的方式計算質子的大小。在傳統的散射實驗中，物
理學家觀察到粒子的電荷從其中心向外延伸大約0.8飛米（即，其組成的夸克在該區域內
活動）。但是這個“電荷半徑”有些奇怪之處。例如在中子的情況下——質子的中性對應
物，其中兩個帶負電的夸克傾向於深藏在粒子內部，而一個帶正電的夸克花更多時間接近
表面——電荷半徑呈現為負數。“這並不意味著大小是負的；它只是不是一個忠實的衡量
指標，”Schweitzer說。
新方法測量被質子顯著彎曲的時空區域。在一份尚未經過同行評審的預印本中，傑斐遜實
驗室的團隊計算出這個半徑可能比電荷半徑小約25%，只有0.6飛米。
質子行星的極限
從概念上講，這種分析將夸克的模糊舞蹈平滑化為一個堅固的、類似行星的對象，壓力和
力量作用於每一個體積的小點。這個冷凍的行星並未完全反映所有量子光彩中的喧鬧質子
，但它是一個有用的模型。“這是一種解釋，”Schweitzer說。
物理學家強調，初步的地圖是粗糙的，原因有幾個。
首先，精確測量能量-動量張量需要遠高於傑斐遜實驗室能產生的碰撞能量。團隊已努力
從他們能夠接觸到的相對低能量中仔細推斷趨勢，但物理學家仍不確定這些推斷的準確性
。
此外，質子不僅僅是由夸克組成；它還包含了具有自己壓力和力量的膠子。雙光子技巧無
法檢測到膠子的影響。傑斐遜實驗室的另一個團隊使用了一個類似的技巧（涉及雙膠子相
互作用），去年在《自然》雜誌上發表了這些膠子效應的初步重力圖，但它也是基於有限
的、低能量數據。
“這是第一步，”布魯克黑文國家實驗室的物理學家Yoshitaka Hatta說，他在傑斐遜實
驗室2018年的工作後開始研究重力質子。
更清晰的質子夸克和膠子的重力圖可能會在2030年代出現，屆時正在布魯克黑文建造中的
電子-離子對撞機將開始運行。
與此同時，物理學家正在推進數位實驗。麻省理工學院的核與粒子物理學家Phiala
Shanahan領導一個團隊，從強力的方程式開始計算夸克和膠子的行為。2019年，她和她的
合作者估計了壓力和剪力，並在10月估計了半徑等其他特性。到目前為止，她們的數字結
果與傑斐遜實驗室的實體結果大致一致。“我對近期實驗結果與我們數據之間的一致性確
實感到非常興奮，”Shanahan說。
即使到目前為止對質子的模糊了解也已經輕微地重塑了研究人員對這個粒子的理解。
一些後果是實際的。在歐洲粒子物理研究組織CERN，運行世界上最大的質子撞機——大型
強子對撞機的物理學家，之前曾假設在某些罕見的碰撞中，夸克可能在碰撞的質子內任何
位置。但重力啟發的地圖表明，夸克在這些情況下傾向於聚集在中心附近。
“CERN使用的模型已經更新了，”傑斐遜實驗室的物理學家Francois-Xavier Girod說，
他參與了這些實驗。
新地圖也可能為解決質子最深層的謎團之一提供指導：為什麼夸克會將自己綁定在質子內
。有一個直觀的論點是，因為每對夸克之間的強力隨著它們彼此分離而增強，就像橡皮筋
一樣，夸克永遠無法逃脫他們的同伴。
但質子是由夸克家族中最輕的成員構成的。而且輕質夸克也可以被看作是超出質子表面的
長波。這種圖景表明，質子的結合可能不是通過內部拉扯橡皮筋而是通過這些波狀、拉長
的夸克之間的某種外部互動實現的。壓力圖顯示，強力的吸引力一直延伸到1.4飛米以外
，這支持了這樣的替代理論。
“這不是一個確定的答案，”Girod說，“但它指向了這樣一個事實：這些簡單的帶橡皮
筋的圖像對於輕夸克來說並不適用。”
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