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一看就懂

弦理论和夸克
到底是什么?

讲给刚学到原子核、总想问「再往里是什么」的学生党
第 413 期自然与科学第 45 / 45 篇灵感来自 Reddit核实于 2026年11月2日更新于 11月3日
视频版2 分 9 秒 · 中英字幕

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下面是视频旁白的全文。

夸克谁也没单独见过,却算真的。弦理论琢磨了几十年,到今天还是一个猜想。先从一粒盐往里看。盐由原子堆成,原子正中间有一个很小的核,核里挤着质子和中子。质子里面还有东西吗?一九六八年前后,物理学家拿电子当球,对着质子猛砸。

这就像往一个黑布袋里扔网球。袋里要是一团棉花,球会软软地穿过去。可他们发现,有些球被狠狠弹开了。袋里一定藏着几个又小又硬的点。后来数清楚了,一个质子里有三个。这三个点,就叫夸克。这种扔球看反弹的实验,物理上叫散射。网球是电子,布袋是质子,硬点就是夸克。

夸克被拴得死死的,拉不出来单独看。可球每一回都照着理论算好的样子弹,这就够了。一九九零年,带头做这个实验的三个人拿了诺贝尔奖。弦理论接着往里猜。它说,夸克和电子再放大,不是一个点,是一根在抖的小弦。弦抖的样子不一样,就变成不一样的粒子,像琴弦拨法不同,出来的音就不同。

麻烦是,弦太小了。把一个质子放大到地球那么大,一根弦还比一个原子小一千倍。要看清这么小的东西,球就得砸得更狠。今天最强的对撞机,一圈二十七公里,可它的能量还差一千万亿倍。粗算一下,照今天的磁铁,这台机器得造到上千光年那么长。

还有一层麻烦。弦理论的版本多得数不清,几乎什么结果都装得下。实验既证明不了它对,也说不了它错。不过,它也没白算。有人借它的数学,去算夸克熔成的一锅汤有多黏,算出的数跟实验挺接近。你上学时,物理学到哪一步,开始听不懂了?

1

一个算真的,
一个还是猜想

夸克谁也没单独见过,却算真的。弦理论琢磨了几十年,到今天还是一个猜想。

差别不在「见没见过」,在于实验能不能拿它去比一比。

2

往黑布袋里
扔网球

一九六八年前后,物理学家拿电子当球,对着质子猛砸。

袋里要是一团棉花,球会软软地穿过去。可有些球被狠狠弹开了。袋里一定藏着又小又硬的点,后来数清楚了:一个质子里有三个。

这三个点,就叫夸克。

这种「扔东西进去、看它怎么弹」的实验,物理上叫散射。网球是电子,布袋是质子,硬点就是夸克。真实验不是一颗一颗砸中,而是数几百万次散射、看球往哪些方向偏得多。

3

拉不出来,
也算数

夸克被胶子拴得死死的,从来没人拉出过单独一颗。质子是两个「上夸克」加一个「下夸克」。

可球每一回都照着理论算好的样子弹,这就够了。一九九零年,带头做这个实验的三个人拿了诺贝尔物理学奖。想多认识几种粒子,看基本粒子那一期。

4

弦理论猜的是
再往里一层

弦理论说,夸克和电子再放大,不是一个点,是一根在抖的小弦。弦抖的样子不一样,就变成不一样的粒子,像一根琴弦拨法不同,出来的音就不同。

5

弦小到
球扔不进去

夸 克
今天的球就够劲
一九六八年的机器就砸出来了
弦
还差一千万亿倍
把质子放大到地球那么大,一根弦还比一个原子小一千倍

要看清这么小的东西,球就得砸得更狠。今天最强的对撞机在日内瓦地下,一圈二十七公里;要看见弦,能量还差约一千万亿倍。照今天的磁铁粗算,机器得造到上千光年长。

还有一层麻烦:弦理论的版本多得数不清,几乎什么结果都装得下。所以眼下的实验,证明不了它对,也说不了它错。

「证明不了」说的是现在。也有物理学家在找间接的检验办法,还没有定论。

6

它的数学
没白算

物理学家借弦理论的数学,去算夸克熔成的一锅「汤」有多黏。算出来的数,跟对撞实验测到的挺接近。弦本身还没找到,这套工具先派上了用场。

夸克靠「扔球看反弹」被证实;弦太小,球扔不进去。
你上学时,物理学到哪一步,开始听不懂了?
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