小问号和感叹号爱科学

　　中国古人认为，万物由金、木、水、火、土五种元素组成。并且认为“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。
　　小问号奇怪了，问:“我们宇宙的所有东西都是由金木水火土四种元素组成的吗？”
　　感叹号说:“那是没有科学的蒙昧时代中国古人的臆测。从化学上说，在地球上，人们发现了90多种元素，而在加速器上又人为合成了多种元素，现在已经达到118种了。从粒子的标准模型讲，宇宙是由6种夸克、6种轻子和8种胶子、3种中间玻色子、光子、希格斯粒子构成的。”
　　感叹号继续说:“在盖尔曼提出夸克理论之前，日本科学家汤川秀树于1935年提出一个核力理论认为，质子和质子或者质子和中子以及中子和中子通过传递派介子产生核力。派介子质量较大，只能传递短程力，所以，核力是短程力，超出原子核就不起作用了。质子和质子传递中性派介子相互作用形成核力，中子和中子之间也是传递中性派介子相互作用形成核力。而质子传递一个带正电的派介子给中子，中子变成质子，而原来的质子变成中子。反之，中子传递一个带负电的派介子给质子，自己变成质子而质子变成中子。所以，原子核中的质子和中子通过传递派介子相互作用形成了原子核。1964年，盖尔曼提出了强子(重子和介子)的夸克模型，认为重子由3个夸克组成。比如，质子和中子就是重子，分别由3个夸克组成。质子由两个上夸克和一个下夸克组成。中子由一个上夸克和两个下夸克组成。而介子是由一种夸克和另一种夸克的反夸克组成的。比如派介子，有3种，带正电派介子由上夸克和一个反下夸克组成、带负电派介子由一个下夸克和一个反上夸克组成、中性派介子由上夸克和下夸克以及反上夸克和反下夸克组成。夸克和夸克之间通过传递胶子发生强相互作用。”
　　冒号爸爸说:“王为民认为，有了夸克传递胶子的强相互作用理论后，汤川秀树的介子传递核力的理论就属于多余的冗余理论。核子，即质子和中子没有必要去传递一种自身组成不存在的派介子形成核力。而应该交换自身组成含有的相同夸克进行相互作用形成核力，这类似原子交换外层电子相互作用形成分子的情况。在量子力学中，电子和电子是全同粒子，它们之间发生了交换是不能相互区分的，于是就形成一种作用力，这就是交换力，交换力在经典力学中没有对应物，比如原子和原子交换电子结合起来形成分子，这本身就是短程力，这种作用力纯粹是量子力学效应。在经典力学中交换粒子位置是没有相互作用力产生出来的。王为民认为，居于同样道理，核子与核子之间相互交换同种夸克，形成核力(王为民力)，将质子与质子或中子和中子或质子和中子结合在一起形成原子核，这种力必然是短程力，具有饱和性，具有幻数特征，可以按照质子和中子原子核的壳层结构模型进行分别填充。比如质子和质子可以传递第一能级的上下夸克和第二能级的上夸克相互作用，中子和中子可以传递第一能级的上下夸克和第二能级的下夸克相互作用。由于交换粒子数较多，相互作用力特别强，所以原子核中，偶数个质子和偶数个中子之间结合力特别强。而质子和中子之间可以传递第一能级的上下夸克相互作用，作用力相对较弱。”
　　冒号爸爸继续说:“夸克和夸克之间传递胶子产生强相互作用，由于夸克和胶子都带有色荷，所以，核子中的夸克色荷随时变来变去。尽管核子中的夸克色荷不断变来变去，但总有变成相同的时候，这时，它们将发生交换，形成交换力。王为民在自己的核力理论的基础上，为了解释核子的磁矩，提出了王为民核子(质子和中子)的壳层结构模型。”
　　感叹号说:“具体说说这个模型的内容吧？”
　　冒号爸爸说:“量子力学的一大发现就是束缚态粒子能量是不连续的，是量子化的。核子内部胶子场和电磁场的平均场形成了一个势肼，夸克可以在不同能级上填充。夸克是费米子，填充每一个能级遵守泡利不相容原理。即两个费米子不能占有相同的量子态。为了得到质子自旋和磁矩方向相同，而中子自旋方向和磁矩方向相反的和实验一致的结果，王为民大胆将不同种类的夸克综合填充核子势肼的能级。具体就是，在质子势肼第一能级上填充一个上夸克和一个下夸克构成质子的硬芯，而第二能级上填充一个上夸克，构成第二壳层。对于中子，第一能级上填充一个上夸克和一个下夸克构成硬芯，第二能级上填充一个下夸克构成第二壳层。这就是王为民核子壳层模型。”
　　感叹号问:“这个模型有什么优点吗？”
　　冒号爸爸说:“有很多优点。第一是解释了质子自旋方向为什么和磁矩方向相同和中子自旋方向和磁矩方向相反的问题。先说质子的自旋，它的第一能级上下夸克自旋方向相反，相互抵消，所以自旋由第二能级自旋方向决定。由于第二能级上夸克带正电，所以，自旋方向和磁矩方向相同，而第一二能级上夸克自旋方向和第一能级带正电上夸克自旋方向相同与第一能级下夸克自旋方向相反。这样质子夸克总自旋方向和磁矩方向是相同的。再说中子的第二能级下夸克带负电，自旋方向和磁矩方向相反，而第二能级的下夸克自旋方向和中子第一能级下夸克自旋方向相同，导致组成中子的夸克总自旋方向和磁矩方向相反的结果。第二是可以根据这个模型计算上夸克和下夸克的质量。将质子和中子的磁矩实验值作为输入量，反向计算上夸克和下夸克的质量。第三是破解了质子和中子的自旋之谜。在王为民核子壳层模型提出之前，由实验测得质子和中子的自旋都是1/2，于是，将上夸克和下夸克的自旋进行叠加，既可以是1/2，也可以是3/2。对于实验上得到的质子和中子自旋为1/2，在理论上不明深层次原因。为了解释质子和中子的磁矩和自旋方向一个相同一个相反的结果，有的认为质子和中子中的派介子贡献了自旋和磁矩。磁矩得到解释了，但是，多出来的自旋就是个麻烦事情了，于是有人得出质子和中子的自旋1/2，夸克只贡献了极小部分，其余由真空中可以形成派介子的虚夸克提供，这些虚夸克就是所谓的海夸克。明明夸克的自旋也是1/2，现在为了用派介子云解释质子和中子的磁矩来源，连质子和中子的自旋由哪些夸克提供都成了问题。这就是所谓质子自旋之谜。如果按照王为民质子和中子的壳层模型解释质子和中子的磁矩来源，根本就不存在质子和中子自旋来源的混乱理解，从这个意义上说，王为民核子壳层模型破解了质子的自旋之谜。”
　　感叹号问:“解释质子和中子的磁矩为什么要提到派介子？”
　　冒号爸爸说:“1935年日本科学家汤川秀树为了解释核力的来源，假设质子传一个带正电的派介子给中子，中子就变成了质子，而原来的质子就变成了中子，所以质子和中子之间就产生了核力。可见质子没有和中子传递力的时候，质子想要传出去的带正电派介子就形成一□□介子云使质子磁矩为正。而中子如果传一个带负电的派介子给质子，质子得到带负电的派介子变成中子，而中子却变成了质子。所以，自由中子周围围绕着带负电的派介子云，所以中子的磁矩为负，类似原子的带负电的电子云产生的负磁矩与自旋方向相反。也类似地球表面带负电，磁矩方向指向南极，与地球自转轴方向指北相反。导致这一错误的根源就是核力不是靠质子和质子、质子和中子、中子和中子传递派介子发生相互作用的，而是靠交换同种夸克相互作用的，即王为民力相互作用。这种力是夸克之间传递胶子相互作用的剩余力，类似原子与原子之间交换电子形成分子之间的相互作用力。由于有了这个错误的核力理论，导致核子(质子和中子)的磁矩用派介子解释的理论，这个理论是错上加错，结果就导致连质子和中子自旋量子数为1/2是谁提供的都说不清楚，于是就产生了质子的自旋之谜。”
　　感叹号说:“虽然汤川秀树的核力理论的进一步发展导致了质子的自旋之谜的后果，但是，看起来这个理论还是有道理的。”
　　冒号爸爸说:“这个理论在历史上有过积极意义，它导致了弱相互作用理论和强相互作用理论的提出。是上述两个理论的接生婆。但是，由于根基不牢，演绎到最后，缺点和错误必然暴露无遗。既然构成质子和中子的夸克靠传递胶子相互作用，夸克就没有义务劳民伤财去组成派介子在质子和中子之间传来传去。用俗话说就是脱了裤子放屁，多此一举。王为民所做的就是大刀阔斧砍掉这些表面光鲜，实际无用的无聊理论，对它们做减法，用更简单直观的理论代替。这就是王为民核力是夸克交换力以及核子壳层模型提出的原因。”

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