作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
“强子”这个词在上个世纪末引起了很大的轰动。作为最热门的话题之一，“第一条命题”的提出者波普尔（Max Planck）在十八世纪早期就已经发现了这一粒子的存在。但直到二十世纪，高能粒子才真正进入我们人的视野。
核物理研究的是原子核的性质和运动规律，包括其核聚变、核燃料熔炼等相关过程；而强子物理研究的是粒子的性质和运动规律，特别是它们在宏观层面上的行为及其影响因素。无论是核物理还是强子物理，都属于物理学的一个新方向。对这两个领域的掌握，对于理解新近爆出的重大天文探测事件及各种宇宙性学现象都至关重要。
近年来，由于中国科技大学钱伟长教授等人开创的物理实验小组能够收集到不同领域的重量级物理实验数据，有利于我们对物理学的最新进展有一个全面的了解。这次，我们将从核物理和强子物理两个角度来分析新近爆出的重大天文探测事件——“第一颗超级黑洞”系列活动。希望通过分析新奇的宇宙学原理，为广大读者提供参考。
2.核物理入门
2.1 简单介绍
核聚变是指原子核内的能量的形成，以能量的形式迁移到外界空间的热运动。核聚变产生的能量并不是凭空产生的，而是反复演化形成的，即前后两次核聚变之间的能量差不多。核聚变可以分为二极点聚变和反向运动聚变两种类型。二极点聚变是一种热运动，它的能量和热流分布在核表面。核物理中经常用二维晶体结构来研究核的聚变。
核物理研究的中心是核。核主要由原子核与电子云所构成，电子云对原子核的核态进行调控，引导原子核周围的能量不断地流动，形成核团，核团本身是一个完整的系统。核物理的研究对象主要是核团，通过观察核团的动态变化，可以掌握核团内部的运行机制。
核物理的研究方法主要是数值计算法，这是因为核的性质都是复杂的，无法用微观的方法进行研究。需要建立模型，计算得到结果之后再验证。核物理的研究具有高度的科学性，并且在各个领域都有应用价值。
2.2 核团的结构及分类
核团的结构特征主要有：核团由电子云和原子核两部分组成；原子核含有质子或中子，由离子团簇的结构组成；离子团簇是电子和质子的集合，离子团簇中的离子氢、氦、氘和氖四种元素占主导地位。
根据核团的结构及原子的种类不同，可以把核团分为三种类型：巨核型、超巨核型和微型。
1.巨核型核团：巨核型核团结构复杂，核团呈星状或环状结构，在每一环的边缘位置都可以找到热运动区域，称为瞬变区；热运动区域之间形成的温度梯度使得核团的总温升高，这种热运动特征被称为光跃迁移效应。
2.超巨核型核团：超巨核型核团是真正意义上的核物理“终端”，超大尺度的核团可拥有海量的电子、质子、离子，而且占据整个宇宙中能量很少的一部分。它由大量的多种粒子团簇构成，宏观上看类似于行星的形态，有助于理解宇宙中的物质起源和宇宙起源过程。
3.微型核团：微型核团是研究核物理的重要对象之一。微型核团结构相当简单，由一个单原子核和一些离子团簇构成。微型核团通常是靠离散作用或者微弱的重力作用被激活，这些作用会使微型核团发生裂变，形成新的微型核团。
根据核团中电子和质子的比例大小，又可以把核团分为两大类：角核型核团和盐核型核团。
1.角核型核团：角核型核团又称双水合核团，核团中电子与质子的比例比较低，核团周围的空气相对湿润，核团内部还存在少量的极少数元素。角核型核团的结构比率高，核团中有大量的电子。角核型核团在星系形成中扮演着重要角色，也有助于宇宙的运行。
2.盐核型核团：盐核型核团是水陆核团的统称，核团中电子与质子的比例相当高，但没有发生太多的离子团簇聚集，在局部处比较稀薄。盐核型核团形态有多样性，具有多种外表，可能来自于真空或者潮汐流体中。盐核型核团可以使水在宇宙中自由运动，但是由于结构简单，水元素的作用较为弱烈。
2.3 重要核物理定律及假设
1.Bekenstein假设：Bekenstein假设认为，核物理方程组的解随着时间的推移是确定的。也就是说，宇宙中所有核团的性质都是固定的，不随时间的变化而改变。
2.多态性假设：多态性假设认为，电子与质子是一回事，只是前者具有“物质”属性而后者没有。
3.金佛朱莫克假设：金佛朱莫克假设认为，电子和质子在核外运动时，不能平衡。如果电子或质子发生了离心，就会出现核间漂移。
4.温度-能量关系假设：温度-能量关系假设认为，电子和质子的运动将导致能量的增加。核内的磁场也会引起能量的变动。
5.德米特里亚假设：德米特里亚假设认为，大气层和大气圈内的物质有着密切的联系。核物理实验可以用来预测大气层及其周围环境的物质状态和物质运动。
6.库兹曼-克劳狄乌斯假设：库兹曼-克劳狄乌斯假设认为，原子核的形成必须经过微观粒子的催化作用。电子或质子的动量或速度，就是催化剂，催化剂引起原子核的崩溃或聚变，使得原子核的形成与平衡过程发生关联。
7.哈布洛佩斯-布隆温假设：哈布洛佩斯-布隆温假设认为，核团是混乱的，即存在着很多体积不规则的离子团簇。对于核团中的微粒子，布隆温假设表明它在体积上存在着挤压。
8.费米假设：费米假设认为，每个粒子的运动都受到质能限制。其中包含两个假设：即电荷守恒定律，即所有微观粒子的运动都要受到电荷的束缚，即必须保持与外界的平衡。另一个假设是摩尔方程式，即宏观层面的物理规律都可以在微观层面上用摩尔方程式描述。
2.4 核物理实验分类及流程
1.连续核辐射实验(CRI)：这是核物理实验中最基本的实验方法。它利用照相机将物质从一个辐射源传递到一台辐射终止设备上，然后利用装置或计算机记录该辐射行为。
2.离散核辐射实验(DRI)：这是由普朗克(Planck)实验改进而来的实验技术。它要求将核聚变现象与直接从热电偶器件传递的热辐射比较。
3.纵向核电流实验(YCP)：这是一种常用的核物理实验，它能够测量到电子转移到激发核中心的速率。纵向核电流实验一般采用电子枪和电子束的机架，研究核团在某一时刻电子运动的过程。
4.弱核测试实验(WTI)：这是核物理实验中常用的方法。它在体积很小的范围内施加核磁共振，研究核团内部的磁场分布。
5.聚焦核物理实验(FPI)：这是由普朗克提出的实验技术。它通过观察核团在聚焦的过程中电子、质子、离子的分布情况，发现核聚变过程中物质的运动。
6.多伽马核能级共振(MCH)：这是一种特殊的核能级共振实验。它利用核外管道上的微弱干扰激发核电子，从而制备多组不同的能级。核物理研究人员可以通过对这些能级的观察，了解核物理常数、运行机制以及核团内部的物质运动过程。
3.强子物理入门
3.1 简单介绍
什么是强子？
作为众多粒子之一，强子是由量子力学中的动力学原理衍生而来的一个微观粒子。强子也称为粒子加速器，是一种惊人的现象，即每隔几百万年，一段微弱的射线，就会打到地球的某个位置。这被称为“热闹”的爱丁堡大学。这是因为“热门”和“疯狂”的定义不同。
大约一百万年之前，欧洲的物理学家希尔伯特·玻色面临著重大课题：宇宙中究竟有无僕人存在？因为他的论述不断受到苏格拉底、柏拉图等西方哲学家的拍板，而在著名的物理学家康普顿的带领下，科学家们一直探索宇宙中是否存在着“黑客”、“超级电子”、“生物机器人”等传说中神秘的力量。
几百年后的今天，“黑客”这个词已然成为热词，而为了寻找这种能力的源头，物理学家们却只能依仗古老的力学原理。
而那些由量子力学衍生出来的微观粒子，则成了微弱射线的候选。为了证明它们的存在，物理学家们进行了大量的研究，包括对弱相互作用以及量子隧穿效应的探索。然而，当时的物理学家们遇到了非常艰难的困境：如何识别这些微观粒子的性质？如何研究其动力学行为？
高能粒子作为一种新的物理学范畴，自然引起了很多物理学家的关注。在近代以来，高能粒子越来越多地被发现，更确切的说，是在两百多年的时间里，高能粒子已经探索了宇宙中极其复杂的物理性质，即核物理与强子物理。
因此，强子物理是研究宇宙微观物质的重要方向之一，也是一项极具挑战性的任务。
3.2 核粒子与强子粒子的差异
核粒子和强子粒子的结构相似，但又有很多区别。
首先，两者之间的距离都非常遥远，大约是光速的约25倍。宇宙中有一小部分星系存在质量超过宇宙中微小粒子的规模。宇宙中只有极微小的部分存在空间粒子的运动规律。
其次，两者之间的核与原子核的界限并不清楚，有的核甚至还包括电子云。有的核有一定的尺度。
第三，两者之间的能量也不同，强子的能量更大，约几千万度，而核的能量则有百万级。
第四，两者之间的运动规律也不同。强子的运动规律仍然遵循牛顿第二定律，即动量守恒；而核的运动规律则复杂多变，既有动量守恒，又有相互作用。
第五，两者之间的自旋也不同。核的自旋是一个复数，可以出现不同极值的旋转；而强子的自旋通常只与加速器的初始条件有关，不随时间改变。
最后，两者之间还存在一定的关联。一旦质量超过阈值，就可能形成某种粒子，比如强子加速器，核子引擎。
3.3 核粒子与强子粒子的分类
按照粒子的性质，可以把核粒子和强子粒子分为两类：一类是相互作用比较紧密的粒子，如电子-质子、离子-原子核之间的粒子对撞，这类粒子被称为弱粒子；另一类是相互作用较弱的粒子，如对流层中的微粒子，这类粒子被称为微粒子。
按照核粒子和强子粒子的相互作用，可以把核粒子和强子粒子分为三种类型：一类是局域强子粒子，如量子子超导、电子-质子、强子对撞，这些粒子相互作用较弱，可探测出本地环境；另一类是广域强子粒子，如热光子、飞粒子、中子，这类粒子能够辐射大气，进入宇宙任何角落；最后一类是超粒子，如重子、弱子、灵子，它们的物理属性无法被完全确定，其行为依赖于宇宙时空和时序的统一。
3.4 弱粒子的种类及其结构
弱粒子分为以下七种：一类是电子-质子对撞，电子跟质子发生了质子连锁反应，产生了强大的电-子合金；另一类是离子-原子核之间的粒子对撞，离子跟原子核发生了粒子对撞，产生了强大的金属合金；第三类是对流层中的微粒子，高能粒子若不被核磁场所吸收，就可以向宇宙空间释放出量子纠缠；第四类是弱线，弱粒子与介电材料中的电子进行量子纠缠，从而形成了一张有机的网络；第五类是高能子，宇宙范围内存在多个高能子，这些子带来的能量往往超过恒星的大部分能量；第六类是强子对撞，原子核对质子、中子等粒子之间发生的碰撞，引发强大的粒子；第七类是质子云，就是我们眼前看到的星空之类的东西。
一般来说，弱粒子具有以下三种基本特征：1.迅速的运动，即速度达到一定值，所需的时间短；2.共振的粒子，其动量线性叠加，达到某个最大值就停止运动；3.量子性，即具有无穷多个不同的可能状态，且具有随时间改变的色散，不会均匀分布。
3.5 强子粒子的种类及其结构
强子粒子分为以下五种：一类是普通强子粒子，如质子、中子、光子；另一类是高能粒子，如热光子、冷光子、弱子、重子、子阳子、阳极子、玻色子、超新星、脉冲星；第三类是强子对撞，核对质子、中子等粒子之间发生的碰撞，可生成强大的弱相互作用；第四类是泡沫，是在空间中扬起或者凝结出来的粒子团簇，随着时间流逝，形成的聚合力把粒子团簇变得坚硬；第五类是弓箭粒子，可以把其它粒子束缚在一条线上，并且可控的改变自己的位置，形成具有连续性的粒子线，引发无穷强大的粒子对撞。
如果觉得《现代物理前沿之：核物理与强子物理》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！
