如果有人问，构成我们这个世界的物质究竟有多“空”，质子或许是一个很有意思的答案。它存在于几乎所有普通原子的原子核中，带有一个单位的正电荷，也是构成可见物质最基本的组成部分之一。很长时间以来，质子给人的印象都相当简单：它似乎就是一个稳定、紧凑的微小粒子，内部由三个夸克组成，两个上夸克和一个下夸克，在强相互作用的作用下被胶子牢牢束缚在一起。这样的描述并没有错，但如果把观察尺度不断缩小，事情就会迅速变得复杂起来
今天的粒子物理学已经告诉我们，所谓“质子由三个夸克组成”，实际上只是对质子最基础的一种近似描述。真正的质子并不是三个夸克安安静静地挤在一个小球里面，而更像是一个持续处于剧烈量子涨落之中的系统。除了通常所说的三个价夸克之外，质子内部还存在大量胶子，以及不断产生和湮灭的夸克—反夸克对。换句话说，当我们说一个质子“里面有两个上夸克和一个下夸克”时，这只是它最稳定、最容易理解的量子组成方式，而不是质子全部的内部内容。量子色动力学，也就是描述强相互作用的理论，所描绘的质子远比教科书里的“三夸克模型”丰富。
这种差别非常重要，因为质子的许多性质其实并不能简单地归因于那三个价夸克。比如质子的质量大约是0.938 GeV/c²，但构成它的两个上夸克和一个下夸克的裸质量加起来，只占质子总质量的一小部分。质子绝大部分质量来自夸克和胶子的运动能量，以及强相互作用场本身所携带的能量。也就是说，我们日常接触到的物质质量，很大程度上并不是来自“粒子本身有多重”，而是来自量子场内部复杂的动力学过程。
这也是为什么质子一直是现代物理学中一个看似熟悉、实际上仍然充满谜团的对象。我们已经知道夸克和胶子的存在，也知道它们受到强相互作用控制，但真正要从量子色动力学的基本方程出发，把质子的完整内部状态精确计算出来，却是一件极其困难的事情。强相互作用与电磁相互作用有一个非常不同的特点：在高能尺度下，夸克和胶子的相互作用反而可以变得相对容易处理，而到了质子这种低能、强耦合的尺度，理论计算会迅速变得复杂。
如果把质子想象成一间房子，那么传统的三夸克图像只告诉我们房间里住着三个主要成员，却没有告诉我们房间里同时存在着怎样的场、怎样的能量交换，以及各种短暂出现的量子涨落。胶子并不是简单意义上的“胶水”，它们本身也是量子场的激发，同时还能够彼此相互作用。胶子还可以产生夸克和反夸克对，而这些夸克又能够发射胶子，于是质子的内部形成了一个不断变化的量子网络。
在这个意义上，质子更接近一个动态的量子态，而不是一个拥有固定内部零件的微型机械装置。
量子力学最反直觉的一点就在这里：一个粒子的内部状态并不一定能够被简单地分解成几个确定不变的组成部分。在不同的实验能标下，我们观察到的质子甚至可能呈现出不同的“内部面貌”。当实验使用更高能量、更短波长的探针去撞击质子时，就相当于把观察镜头进一步拉近。在这种情况下，原本看起来相对简单的质子，会显露出越来越丰富的部分子结构。研究者在高能碰撞中观察到的，并不仅仅是三个价夸克，还包括大量胶子以及各种海夸克和反夸克。
这里的“海”是一个非常形象的比喻。三个价夸克像是质子的基本骨架，而胶子和不断出现的夸克—反夸克对则像一片不断翻腾的量子海洋。它们并不是以经典物理意义上的方式永久存在于某个固定位置，而是质子量子波函数的一部分。随着观察尺度和能量的改变，我们能够解析出不同层次的内部结构。
更令人惊讶的是，这种量子化程度可能比过去的直觉还要深。
在经典世界里，我们习惯认为一个东西要么存在，要么不存在，一个粒子要么处在某个状态，要么处在另一个状态。但量子系统并不遵守这种简单的二选一逻辑。质子的内部可以同时包含不同的量子成分，而这些成分之间还可能存在纠缠和强烈的量子关联。近年来，研究人员已经开始从量子信息的角度重新研究质子，试图理解其中夸克和胶子之间的纠缠究竟有多强，以及这种量子关联如何影响质子的整体性质。理论研究显示，胶子的加入可以显著增强质子内部不同部分子之间的纠缠，这意味着质子的内部结构不仅是“复杂”，还可能是高度关联的量子系统。
这实际上改变了我们理解质子的方式。
过去，我们经常把粒子理解为一个个独立的“小球”，然后再研究这些小球之间如何相互作用。但在量子场论中，这种图像只是近似。真正基本的对象是量子场，而我们所谓的粒子，是这些场在特定条件下表现出来的激发。质子本身则是由夸克场和胶子场通过强相互作用形成的一个束缚态。
因此，如果一定要给质子画一张内部结构图，那么画面不应该是一颗小球里面整齐排列着三个更小的小球，而应该更接近一团不断变化的量子波函数。夸克、反夸克和胶子共同构成这个量子态，它们的能量、动量、自旋以及颜色荷彼此关联。我们最终测量到的质子电荷、质量、自旋和磁矩等宏观性质，都是这整个复杂量子系统共同作用后的结果。
质子的自旋就是一个经典例子。
按照最简单的想象，既然质子由三个夸克组成，那么质子的自旋似乎应该主要来自这三个夸克的自旋。然而实验很早就发现，事情并没有这么简单。上世纪80年代欧洲缪子合作组的一项实验曾经带来震动性的结果：三个价夸克的自旋并不能解释质子全部的自旋。随后几十年的研究逐渐表明，胶子的自旋贡献、夸克的轨道角动量以及其他量子效应都参与其中。直到今天，物理学家仍然在努力更加精确地厘清质子自旋究竟是如何由内部各种成分共同产生的。
这说明，一个看起来非常简单的宏观量子数，实际上可能来自内部大量量子自由度之间的复杂组合。
甚至连“质子里面到底有哪些夸克”这个问题，都比过去想象得复杂。
我们熟悉的说法是，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。但量子色动力学允许胶子产生夸克—反夸克对，因此质子内部还会出现所谓的海夸克。轻夸克相对容易理解，而更加令人惊讶的是，一些质量比质子本身还大的重夸克，在特定的量子描述下也可能参与质子的波函数。
其中一个长期受到关注的问题，就是质子是否具有所谓的“内禀粲夸克”。粲夸克的质量大约是质子的数倍，因此乍看之下，很难想象这样一个沉重的夸克能够成为质子内部量子状态的一部分。但量子力学并不允许我们仅凭经典质量直觉做出判断。过去几十年来，理论学家一直讨论这种可能性，而实验上要把它与高能碰撞过程中由胶子辐射产生的粲夸克区分开，同样非常困难。
2022年，一项基于大量实验数据和机器学习分析的研究给出了质子存在内禀粲夸克的证据。研究人员通过全球数据分析尝试区分两种不同来源：一种是高能过程中的普通量子辐射产生的粲夸克，另一种则是更深层意义上属于质子波函数的内禀成分。研究结果为质子内部存在内禀粲夸克提供了统计学证据。
这个结果之所以引人关注，并不是因为科学家突然发现质子里面“藏着一个小粲夸克”，而是因为它进一步说明，质子的内部状态不能简单地理解为固定的三个基本夸克。质子的量子波函数可能包含比传统图像丰富得多的成分，而且这些成分在不同尺度下以不同方式显现出来。
这也带来了一个更深层的问题：我们究竟应该如何定义“质子里面有什么”？
在经典物理里，这个问题似乎非常简单。打开一个盒子，看看里面有什么即可。但在量子场论中，答案与观察方式密切相关。你用什么能量去探测、在什么尺度上观察、选择什么理论框架描述，都可能决定你看到质子的哪一层结构。
在低能尺度下，我们可以把质子看成一个稳定的复合粒子；在更高能量下，它则呈现出丰富的部分子结构；继续提高分辨率，还可以观察到更多胶子和夸克—反夸克成分。因此，说“质子由三个夸克组成”并不是完全错误，而是类似于说“人体由器官组成”。它在某一个层次上成立，但如果继续追问器官由什么组成，细胞由什么组成，细胞内部又发生什么，那么原来的描述就远远不够了。
质子的“量子性”也并不只是意味着它内部存在一些量子粒子。更加关键的是，它的整体性质本身就是一个量子态的结果。夸克与胶子不能被完全当作相互独立的对象，它们之间存在相互作用、关联和纠缠。一个部分子的状态可能与其他部分子的状态紧密联系，因此不能简单地把整个质子看成若干个互不相关的小粒子的集合。
从这个角度看，质子甚至可以被理解成一种非常特殊的量子信息系统。它包含大量自由度，而这些自由度之间通过强相互作用联系起来。我们通常看到的是质子的整体属性，而实验真正做的事情，是通过碰撞、散射等手段从这些整体结果中反推出内部信息。
这也是粒子物理实验如此重要的原因。研究人员并不能像拆开机器一样直接把质子剖开，然后把夸克和胶子一个个拿出来。由于夸克受到强相互作用束缚，它们不会像电子那样被单独捕获。科学家只能让质子与电子、质子或者其他粒子发生高能碰撞，再根据碰撞产生的粒子、能量和角度分布，反推出质子内部可能发生了什么。
深度非弹性散射就是其中非常关键的方法。通过让高能电子撞击质子，研究人员能够探测质子内部的部分子结构。20世纪后期的实验正是通过这类方法发现质子内部存在类似点状组成部分的证据，并最终推动夸克—部分子图像成为现代粒子物理学的重要基础。
但每一次分辨率的提高，似乎又会带来新的问题。
我们原本以为质子内部可以用三个夸克解释，后来发现还有胶子；发现胶子之后，又发现海夸克；进一步研究后，又出现了关于重夸克内禀成分的问题。现在，研究人员又开始认真讨论量子纠缠、信息熵以及质子波函数中不同自由度之间的关联。
这意味着，质子并不是一个已经被完全破解的古老问题。恰恰相反，它可能是研究量子世界最重要的天然实验室之一。
特别有意思的是，质子的复杂性并没有妨碍我们建立高度精确的现代物理学。恰恰相反，正是因为我们越来越了解质子的内部结构，科学家才能更准确地预测大型粒子对撞机中的各种过程。质子内部夸克和胶子的分布通常通过所谓的部分子分布函数来描述，这些函数对于计算大型强子对撞机中的碰撞概率至关重要。换句话说，如果我们对质子的内部结构理解得不够准确，那么很多高能物理实验的理论预测也会受到影响。
这也是为什么研究质子并不仅仅是为了满足好奇心。
当物理学家寻找超出标准模型的新粒子、新相互作用或者其他未知现象时，质子内部的结构就是一个必须控制的背景因素。如果连质子自身内部的量子涨落都没有描述准确，那么实验中出现的微小异常就很难判断究竟是新物理，还是我们对普通质子理解得还不够深入。
未来的实验可能会进一步把这个问题推向极限。更高精度的电子—离子碰撞实验，以及对质子结构的更精细测量，将帮助研究人员进一步研究夸克、胶子、动量、自旋和量子纠缠之间的关系。美国计划推进的电子—离子对撞机等设施，也正是为了以前所未有的精度观察质子和原子核内部的夸克—胶子结构。
因此，当我们再次看到一个质子时，或许不应该再把它想象成一个简单的、坚硬的微型小球。
它更像是一个被强相互作用束缚起来的巨大量子舞台。两个上夸克和一个下夸克只是最容易描述的主角，胶子构成了复杂的相互作用网络，夸克和反夸克不断参与量子涨落，而各种内部自由度又可能通过量子纠缠形成更加深层的联系。它的质量、磁矩、自旋乃至稳定性，都不是某一个单独成分的简单属性，而是整个量子系统共同作用的结果。
也许最值得注意的地方就在这里：我们已经知道质子存在了一个多世纪，也已经知道它由夸克和胶子组成了几十年，但这并不意味着我们真正“看懂”了质子。
相反，观察得越仔细，我们越会发现，这个看起来普通得不能再普通的粒子，其内部其实隐藏着一个极其复杂的量子世界。
而所谓“质子更加量子化”，真正令人惊讶的并不是说质子突然拥有了某种全新的量子属性，而是我们正在逐渐意识到，过去为了方便理解而建立起来的简单质子图像，很可能只是一个非常粗糙的近似。真正的质子，是一个由夸克、胶子以及量子涨落共同构成的动态束缚态。它没有一个永远固定不变的内部结构，也不能被简单拆成几个互不相关的零件。
从这个意义上说，人类熟悉质子的历史，其实也是不断推翻“质子很简单”这一想象的历史。每当实验技术向前迈进一步，我们就会看到新的层次；每当理论计算更加精确，我们又会发现新的关联。或许未来某一天，我们对质子的理解还会发生新的变化。
到那时，今天看起来已经足够复杂的质子，很可能仍然只是量子世界真正面貌的一部分。
原文：https://www.newscientist.com/article/2583917-the-proton-is-more-quantum-than-we-thought/
