质子缩小了,谁在捣鬼?

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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，不应该到这个时候才被发现。

第二种可能性解释起来稍复杂点，需要多说上几句。根据现代物理学的观点，基本作用力都是通过粒子来传递的，就好比两个运动员通过传球来实现互动一样。在带电粒子之间传递静电力的是光子。一般情况下，带电粒子之间一次只传递1个光子。但理论上预言，还存在同时传递2个光子，3个光子……的情况。只是，同时传递的光子数量越多，出现的概率越小。对于电子，看来它在跟质子做“传球游戏”时，基本上局限于一次只传递1个光子。但科学家猜测，μ子比电子大，更可能玩出同时传2个光子的花招。这就使得质子和μ子的作用力比单纯传递1个光子的情况下强了些，质子看起来似乎变小了。这个理论尽管一般人听起来比较新鲜，但在物理学家看来也算不上是什么新闻。

真正让物理学家感兴趣的是第三种解释：或许在质子和μ子之间存在着除静电力之外的一种新的基本作用力。如果这是真的，那么说不定还存在着一类传递此作用力的新粒子。这种新粒子在物理学标准模型所概括的基本粒子家族之外。

这个解释对物理学家来说可谓来得正是时候。因为一方面，随着物理学标准模型所预言的希格斯粒子被发现，在一部分物理学家中弥漫着一种悲观情绪，好像该发现的都发现了，以后做的无非是些修修补补的工作。另一方面，在天文上发现一种占宇宙物质总质量85%左右的神秘物质，叫暗物质。人们迄今不知道构成暗物质的粒子是什么，只知道它不是已知的粒子。所以，物理学家盼星星盼月亮般地渴望发现新的粒子。

是量子引力在捣鬼吗？

甚至对于未知的作用力是什么，有人都已经做出了猜测。一种说法：这很可能就是人们梦寐已久的量子引力。

我们知道，通常的引力跟距离的平方成反比。但当距离小到费米量级，这个规律还成不成立？说实话，这一点谁都不知道。因为在那种距离，你得拿微观粒子做实验，可是微观粒子质量都太小，相互间的引力小到用现今的实验手段根本无法探测。这就为人们的想像留下了空间。

根据最新的猜想，有人说牛顿的万有引力定律在费米量级的距离上已经不适用。在这个距离上，引力服从量子规律，因此是一种量子引力。量子引力比传统的引力要强。

如果这种说法属实，那么在本实验的不论电子版还是μ子版的氢原子中，大家都没有考虑质子和核外粒子的量子引力。对于电子版的氢原子，这种忽略倒没什么大问题，因为电子的质量本来就小，但对于μ子版的氢原子，量子引力可能就不应该忽略了，因为μ子质量比电子大得多。如果计及量子引力，μ子和质子之间的吸引力就更大了（这时的吸引力除了静电力还要加量子引力），这样，它们就靠得更近，表现出来的效果就是，质子看起来似乎有着更小的半径。

那么，质子和μ子之间真的存在量子引力抑或是一种全新的基本作用力？如果是前者，那将引导我们走向梦寐以求的大统一理论――一种把所有基本作用力都统一起来的理论。如果是后者，那么我们还可以继续追问：存在新粒子吗？如果存在，这种新粒子会不会就是构成暗物质的粒子？

这些问题在今后三四年内就可见分晓，物理学家打算通过用μ子轰击质子，看看散射的情况，以及通过制造μ子版的“氦原子”，测量它的能级等手段来寻找答案。这些实验做起来并不太难。