手绘科普：<三体>中的科学2:强互作用力

Note: Pictures are annotated in both Chinese and English

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在〈三体〉的众多太空武器中，最唯美的要数三体人的”水滴”。大刘刘慈欣在书中写到水滴:

“...外形完美，它们晶莹流畅...”
”像一滴圣母的眼泪。”

然而这外形脆弱的水滴卻轻而易举的把人类太空舰队的一千艘战舰撞毁。原因？大刘解释道:这水滴是在个强互作用体(strong interaction material)。

为什么强互作用力可以撞毁战舰？我们先要了解什么是強互作用力。強互作用力(strong interaction force) 是宇宙中四种原力之一。其他三种原力是电磁力，引力和弱互作用力 (weak interaction) 。之所以叫原力，是因为宇宙中所有相互作用和力場，例如摩擦力，离心力，阻力等等都是源自这四种相互作用。在这四种相互作用中，最弱的是引力，其次是弱相互作用，电磁力排第二，最強的是強互作用力。

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平常物体和物体的互动，全部都是源自电磁力。为什么我们不会被地球的引力吸到地球中心去呢？因为我们脚上的原子里的电子跟地面上原子里的电子相互排斥，而这电磁力引起的排斥比源自引力的地心吸力要大。所以我们能站在地上而不是穿过地壳掉进地球中心。

同样地，如果我们用一个地球上的盾去挡一把地球上的剑，盾牌上的原子和剑上的原子相互排斥，就可以把剑挡了。可是如果我们用地球上的盾去挡三体人的強互作用剑，那就不一样了。首先，剑上没有电磁力，盾牌不能排斥。其次，因为强互作用比电磁力強，以強互作用连起来的剑比电磁力连起来的盾硬多了。所以三体剑会像切蛋糕一样把人类盾切开。这也是为什么水滴可以很容易地把太空舰队催毁。

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那大自然中有没有这种強互作用体呢？当然有！那就是质子，中子，和它们组成的原子核。我们来看一下原子核的结构。原子核(nucleus)是质子(protons) 和中子(neutrons) 构成。而质子和中子是由夸克(quarks)构成。夸克是我们所知最基础的粒子。夸克一共有六种: 上(up)，下(down)，魅 (charm), 奇 (strange), 高 (top) 和 低 (bottom)。不同的夸克组合成不同的强子 (hadron), 例如两个上夸克加一个下夸克就是一个质子，一个上两个下就是一个中子。夸克跟夸克之间就是用强互作用力连起来的。而质子和中子构成的原子核，也是强互作用力连起来的，可是这是中子和质子里的夸克溢出来的残留強作用力。中子和质子之间不会产生强互作用力。

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大自然有粒子和原子核大小的强互作用体，那么可以做成像水滴一样大(三体水滴飞船大概有一辆卡车那么大)的强互作用体吗？例如一个巨大的原子核？卡车大的原子核是没有可能的。这是因为残留强作用力的力量跟距离成反比。就象两塊距离远的磁铁不会相吸相斥，一个大原子核里两头的強作用力会变得很少。在这情况下，原子核会被质子和质子之间的正荷相斥所支配而分裂成更小的原子核。这也是为什么大自然里比鉛更重的元素都会发生核衰变。

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夸克之间的强互力就更奇怪了。强互力理论中，当夸克跟夸克之间的距离越大，他们之间的强互力会越大！可是夸克之间的强互力是要对颜色的。夸克有三种颜色:红，蓝，绿。相应的反夸克也有反红，反蓝和反绿三种颜色。夸克在拼对后一定要零颜色，所以只有红蓝绿，反红反蓝反绿，和正色反色这三种拼对方法。就是说夸克只能三个拼在一起或两个拼在一起。所以我们没有办法把多个质子和中子重新组合成一个巨大的夸克体。而且因为强互力的强大力量，拉开一对夸克的能量足够转化成一对新的夸克。因此单个夸克是制造不出来的，所以我们也不能一个夸克一个夸克的把卡车大的夸克体拼起来。也就是说，漂亮而让人生畏的强相互力水滴飞船是没有可能出现在现实世界的。

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参考资料:
https://en.wikipedia.org/wiki/Strong_interaction
https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_interaction
https://en.wikipedia.org/wiki/Quark