夸克的内部是什么?

剑桥大学的物理学家弗兰·戴解开了苏珊提出的这个问题……

弗兰:好的。所以这个问题涉及很多。这是一个很好的问题，一直困扰着物理学家。首先是一些迂腐的观点。电子不是由夸克构成的，只有质子和中子是由夸克构成的。当我们说元素是由原子组成的时候，我们指的是化学元素。比如氧，氢，钾而不是夸克这样的亚原子粒子。夸克当然不是由原子构成的。正如你所指出的，这是一种循环。

所以电子和夸克就是我们所说的基本粒子。这意味着，到目前为止，无论我们向它们注入多少能量，我们都是在粒子对撞机中用尽最大的能量使它们相互碰撞，它们从来没有分裂成更小的部分。从来没有任何证据表明它们是由任何物质组成的。

现在可能是，如果我们注入更多的能量，它们就会分裂，然后我们就会发现它们是由什么组成的。或者它们可能是真正的基础。它们不是由任何东西构成的。有一件事可以帮助我们理解这是怎么回事，为什么会有不是由任何物质构成的东西，那就是量子场论。这是我们关于宇宙如何运行的最基本的理论。量子场论提出了一个问题“电子到底是什么?”这个问题的答案是电子是电子场中的一种波纹。这个实体涵盖了所有的空间和时间。其他粒子都是一样的。我们认为我们所说的粒子是自大爆炸以来跨越宇宙的场中的涟漪或波。 It's like ripples on a pond. And these fields are really the fundamental objects of the universe, not the particles. And anything more than that “what are the fields made of?”, well that we don't know.

克里斯-所以当我们拿起一个氧原子的时候里面有一些东西你说恰好在那个空间里有一堆波纹在那个特定的空间和时间点上，空间结构中的波纹?

弗兰:是的。

Chris -所以当我移动那个原子的时候我也在移动这些波纹所以这些波纹是一种扭曲，但是它们可以移动?

弗兰:是的。需要澄清的一件事是这些量子场，一个场给空间中的每一点都分配了一个数字，就像电场在任何地方都有一个值。它不是我们在谈论重力时所说的时空结构。所以这些都是覆盖空间的场，但当有涟漪时，我们不会以引力的方式看到它，就像黑洞导致空间弯曲一样。

克里斯:那么这些东西会不会存在于其他一些奇异的维度中，在我们熟悉的与之互动的维度中，但是还有其他的维度我们看不见，它们对我们来说是隐藏的。这就是让夸克存在的东西所在的地方。实际上，振动或它的影响表现为这些波纹，我们现在看到的是地球上氧原子的一部分。但实际上它是另一个维度的另一个实体我们只是不知道它的存在。

弗兰:有些理论假设了额外的维度，特别是为了解释为什么引力如此微弱，因为它作用于更多的维度。但我们不知道。当这些被描述为涟漪的量子粒子相互作用时，你可以把它想象成在水中传播的涟漪。它们可以相互作用。当我拿起一个原子并移动它时，记住我的手基本上也是一个波纹。这就是我的手和氧原子之间的波纹。

克里斯:所以把越来越多的能量投入到越来越奇特的高能碰撞中并不是最好的方法，因为这可能只是我们实际上无法发现-因为这不是解开这些粒子下游的方法?

弗兰:这是可能的，我们正在尝试很多不同的方法。所以我的研究主要是利用天体物理观测来观察各种不同的极端环境，试图了解更多关于粒子物理学的知识。但我确实认为建造一个更大的粒子对撞机是很有价值的。几个世纪以来，科学家们一直在用不断增加的能量把东西粉碎在一起，我认为现在没有理由停止。