科学家取得了一项令人难以置信的成就——以极高的精度绘制出了质子内部的力，发现了将夸克结合在一起的巨大力量。

研究人员利用格点量子色动力学，绘制出了可能是有史以来最小的力场图。他们的发现揭示了惊人的强大相互作用，相当于将 10 头大象的重量挤压到比原子核还小的空间内。

绘制质子内部力量分布图

科学家已成功绘制出质子内部的力量分布图，以前所未有的详细程度揭示了当高能光子撞击质子内部微小粒子夸克时，夸克的反应情况。

该研究由包括阿德莱德大学专家在内的国际团队领导，旨在深化我们对塑造自然界的基本力量的理解。

利用格点量子色动力学模拟力

该团队成员、物理、化学和地球科学学院学习与教学副院长（副教授）罗斯·杨 (Ross Young) 介绍称：“我们采用了一种强大的计算技术——格点量子色动力学 (lattice quantum chromodynamics)，来绘制质子内部作用力的图谱。”

“这种方法将空间和时间分解成精细的网格，使我们能够模拟出强相互作用力（将夸克结合成质子和中子的基本相互作用）在质子内部不同区域的变化情况。”

创建有史以来最小的力场图

该团队得出的结果可能是有史以来绘制出的最小的自然力场图。他们已在《物理评论快报》期刊上发表了他们的研究成果。

阿德莱德大学的博士生约书亚·克劳福德与阿德莱德大学团队及国际合作者共同完成了这项计算工作。

揭示微小尺度上的巨大力量

约书亚说：“我们的研究结果表明，即使在如此微小的尺度上，所涉及的力也是巨大的，可达到 50 万牛顿，相当于大约 10 只大象的重量，被压缩在比原子核小得多的空间内。”

“这些力图为我们提供了一种新的方式来理解质子复杂的内部动力学，帮助我们解释质子为何会在大型强子对撞机等高能碰撞实验，以及探索物质基本结构的实验中表现出特定行为。”

大型强子对撞机的作用

大型强子对撞机（LHC）是世界上最大、能量最高的粒子加速器。它是由欧洲核子研究组织（CERN）携手10,000多名科学家以及来自100多个国家/地区的数百所大学和实验室共同建造的。大型强子对撞机的目标是让物理学家们能够对不同粒子物理学理论的预测进行检验。

基础研究如何推动科学进步

杨副教授说：“爱迪生并不是通过研究更亮的蜡烛来发明电灯泡的，他是在历代研究光与物质相互作用的科学家们的基础上取得这一成果的。”

“同样地，我们近期的工作等现代研究正揭示着物质的基本构成单元在受到光照射时的表现，从而加深了我们对于自然界最基本层面的理解。

质子研究及其未来应用

“随着研究人员继续揭示质子的内部结构，更深入的见解可能有助于改进我们在尖端技术中使用质子的方式。

“其中一个典型的例子是质子疗法，它利用高能质子精确定位肿瘤，同时将周围组织的损伤降到最低。

塑造科学与医学的未来

“正如早期对光的理解取得突破为现代激光和成像技术的发展铺平了道路一样，我们对质子结构的深入了解也可能会促成下一代科学和医学应用的诞生。

“本研究首次将质子内部无形的力量可视化，搭建了理论与实验之间的桥梁，正如前几代人发现了光的秘密，从而改变了现代世界。

参考文献：“利用格点量子色动力学研究质子中的横向力分布”，由 J. A. 克劳福德、K. U. 坎、R. 霍斯利、P. E. L. 拉科夫、G. 谢尔霍尔茨、H. 施图本、R. D. 扬和 J. M. 萨诺蒂合著，发表于2025年2月19日，《物理评论快报》。DOI：10.1103/PhysRevLett.134.071901