在60年前，人們還認為質(zhì)子和中子是物理學中的基本粒子，不可再分。
可是，在1964年的時候，蓋爾曼提出了夸克假說，指出質(zhì)子和中子其實都是由夸克組成的，其中質(zhì)子由2個上夸克（每個帶2/3正電荷）和1個下夸克（帶1/3負電荷）組成，中子由1個上夸克和2個下夸克組成。除了上下夸克之外，還有奇夸克、粲夸克、頂夸克和底夸克四種夸克，可以組成其他重子。
雖然蓋爾曼的說法逐漸被人們信服，但是科學家們始終無法檢測夸克的存在。不論他們?nèi)绾斡迷絹碓綇姶蟮牧Ｗ訉ψ矙C進行撞擊，都無法從質(zhì)子中轟出夸克來。為了解釋這個現(xiàn)象，科學家們提出了夸克禁閉的概念，指出隨著夸克之間是通過一種叫做“膠子”的粒子相互吸引的，并且隨著距離越遠，膠子為夸克之間提供的作用力反而越強，因此越難被分離，導致我們無法單獨觀測夸克。
實際上，盡管有夸克禁閉存在，但科學家相信，在足夠苛刻的條件下，夸克和膠子也可以像原子核與電子一樣被分離。原子核與電子分離的狀態(tài)，也就是物質(zhì)在固液氣之上的第四種狀態(tài)——等離子態(tài)。而夸克和膠子的分離，也可以看作是夸克版的等離子態(tài)，科學家們甚至起了一個頗有味道的名字——夸克湯。
夸克湯絕對是宇宙中最難“烹飪的一碗湯”，它需要的條件極其苛刻，以至于在930億光年的宇宙里、138億年的歲月中，它都極少會出現(xiàn)。根據(jù)科學家的分析，在宇宙大爆炸后20微秒（0.00002秒）左右，我們才可以看到大量的夸克湯充斥著宇宙。在此之前，宇宙只有光子存在；在此之后極短暫的時間里，宇宙的溫度就下降到不足以再讓夸克和膠子分離，形成質(zhì)子和中子或者其他粒子了。
不過，科學家相信，當今的宇宙中，我們?nèi)匀豢梢哉业娇淇藴?。這種神奇的狀態(tài)，就位于同樣神奇的天體內(nèi)部——中子星的核心。
我們知道，中子星是致密星的一種，介于白矮星和黑洞之間。當一顆爆發(fā)的超新星內(nèi)核質(zhì)量超過1.44倍太陽質(zhì)量，那么將會突破錢德拉塞卡極限，導致電子被壓到質(zhì)子中，合并為中子，這個天體就會變成中子星。而中子是不帶電的，不存在質(zhì)子之間正電荷相斥的問題，所以密度極大，僅僅1立方厘米的體積就有上億噸那么重！
雖然我們通常說中子星是一顆由中子構(gòu)成的天體，但科學家在差不多40年前的時候就提出：一些較大的中子星可以在核心區(qū)域形成更加恐怖的壓力和溫度，導致中子也會被徹底壓碎，導致內(nèi)部的上夸克和下夸克分崩離析，轉(zhuǎn)化為奇夸克。甚至有人推測，在中子星和黑洞之間，可能還存在著一種過渡天體，那就是夸克星。
這些說法至少在理論上都是成立的，當初的中子星理論也是在類似的過程中被預言，然后在30年后被發(fā)現(xiàn)并證實的。因此，科學家們長期以來，一直致力于尋找中子星的夸克核。
赫爾辛基大學和赫爾辛基物理研究所的理論物理學家Aleksi Vuorinen指出：“自從大約40年前首次被提出開始，中子星內(nèi)部夸克核的確認一直是中子星物理學最重要的目標之一?！?/p>
想要了解中子星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，不是一件容易的事。我們不可能靠近它進行實地考察，即使靠近也不可能活著測量，即使僥幸活下來也不可能將它切開。那么，到底有什么辦法，才可以讓我們看到它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？
幸運的是，在2016年，我們終于找到了一種工具——引力波。在愛因斯坦預言它的幾乎整整100年后，人類終于探測到了它，從此獲得了一個天文學研究的利器。通過引力波，我們可以對宇宙深處一些重大的天文現(xiàn)象進行觀測和分析。
機會說來就來。僅僅一年后，2017年8月17日，LIGO和VIRGO檢測到了1.3億光年外的中子星合并事件。雖然這次引力波信號僅僅持續(xù)100秒（實際上在引力波里還是比較長的），但科學家們獲得了大量的重要信息。在兩顆中子星逐漸靠近的過程中，它們都因為彼此強大的引力而發(fā)生形變。在這個千載難逢的瞬間，中子星隱藏在深處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露在了宇宙空間，也暴露在人類探測器的面前。利用這段期間的觀測，Vuorinen等人終于觀測到了中子星詭異的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在結(jié)合了引力波的觀測數(shù)據(jù)以及最新的理論量子物理學計算后，Vuorinen的團隊最近在《自然物理學》雜志上發(fā)表了研究論文，向世人展示了他們的結(jié)論：從兩倍太陽質(zhì)量到接近理論質(zhì)量上限（如果再高就會變成黑洞）的中子星，確實都存在一個夸克核，其范圍達到了整個中子星直徑的一半以上。
經(jīng)過40年的研究和觀測，夸克核終于接近證實。
之所以接近，是因為這個結(jié)論并沒有完全證實。從科學家的嚴謹角度來說，不能直接給出如此肯定的答案。研究團隊也明確表示：夸克核只是可以最直接解釋觀測到的現(xiàn)象的一種可能性，并不排除其他可能。計算結(jié)果表面，如果這些中子星的核心并非是夸克核，那么這里一定是在發(fā)生某些我們還不知道的不可思議的事情。
Vuorinen指出：“所有的中子星都是僅由原子核物質(zhì)（即中子）組成的可能性仍然非常小，但并不是0。我們所能做的，就是量化這種情況下會發(fā)生什么。簡單來說，致密原子核物質(zhì)的表現(xiàn)勢必會極其詭異。比如說，聲音的速度幾乎可以達到光速?！?/p>
對于科學家來說，研究這種夸克核不僅可以了解中子星內(nèi)部，更可以幫助我們理解宇宙誕生的過程。我們剛才提到，宇宙大爆炸后僅僅幾十微秒的時間里，宇宙就處于夸克湯的狀態(tài)。因此，中子星內(nèi)部的夸克核可以很好地還原當時宇宙的物理性質(zhì)，告訴我們最原始的宇宙是如何演化的。
雖然科學家們前些年也成功在實驗室中造出了夸克湯，但是不僅難度過高，而且保持的時間非常有限，也給科學家的研究帶來了一定的限制。如果我們能持續(xù)對中子星的夸克核進行研究，將會獲得大量重要的研究資料。
在2017年后，LIGO和Virgo已經(jīng)協(xié)作完成了第二次對中子星合并的觀測。隨著科學家對引力波的利用越來越游刃有余、人類觀測設備捕捉到中子星合并的事件越來越多，我們將會更加了解夸克這種粒子以及夸克湯這種神奇的狀態(tài)。
正如Vuorinen所說的那樣：“我們有理由相信，引力波天體物理學的黃金時代才剛剛開始，不久的將來，我們將會見證更多這樣的突破，獲得對自然新的理解?！?/p>
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