本文將討論組成原子核的最主要粒子——質(zhì)子與中子，它們的質(zhì)量究竟是從哪里來的。

重子的質(zhì)量之謎

初中生基本都學(xué)過，構(gòu)成物質(zhì)的最小單位是原子，原子是由原子核與核外電子組成，原子核里通常都有質(zhì)子和中子（氫的核素氕除外，它的原子核就是一個(gè)質(zhì)子）。等到進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理，就會(huì)了解到，質(zhì)子和中子被稱為重子，它們還可以再分，重子通常由三個(gè)夸克結(jié)合而成，夸克才是基本粒子。

質(zhì)子與中子都由夸克構(gòu)成，連接夸克的是無質(zhì)量膠子

問題隨之出現(xiàn)：我們知道質(zhì)子的質(zhì)量為938.272MeV/c2（約1.6726×10?2?kg）、中子的質(zhì)量為939.565MeV/c2（約1.6749×10?2?kg），但組成它們的夸克質(zhì)量卻與之相差甚遠(yuǎn)。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克組成，這三個(gè)價(jià)夸克的靜止質(zhì)量之和約為9.4MeV/ c2；中子由一個(gè)上夸克與兩個(gè)下夸克組成，其價(jià)夸克靜止質(zhì)量之和也只有11.9MeV/c2，這意味著組成重子的夸克質(zhì)量僅約占重子質(zhì)量的1%！

夸克與質(zhì)子的質(zhì)量對比

根據(jù)量子力學(xué)理論，夸克是不能互相吸引的，它們必須靠一種叫做膠子的粒子提供強(qiáng)力將其粘合在一起，膠子是規(guī)范玻色子，它的質(zhì)量為0，也就是說膠子本身的質(zhì)量對重子的質(zhì)量并沒有貢獻(xiàn)。

質(zhì)子和中子99%的質(zhì)量從哪里來？

膠子是規(guī)范玻色子，其質(zhì)量為0

膠子的能量

雖然膠子無質(zhì)量，但它們?nèi)匀痪哂心芰俊伾珓?dòng)力學(xué)結(jié)合能（QCBE）。它們類似于光子，光子也是帶有能量的無質(zhì)量粒子——光子能量。

QCBE是一種強(qiáng)核力，這也是宇宙中最強(qiáng)大的力量，它比已知的電磁力、弱相互作用力和萬有引力都要強(qiáng)大得多，因此QCBE又被稱為強(qiáng)力。在1飛米（10?1?米）的范圍內(nèi)，強(qiáng)力大約是電磁力的137倍，是弱相互作用力的百萬倍，是萬有引力的103?倍。因此它足以克服夸克之間相互排斥的力量，將其粘合在一起。量子力學(xué)理論認(rèn)為，普通質(zhì)子或中子的大部分質(zhì)量是強(qiáng)力場能量作用的結(jié)果。

在重子中有三種不同顏色電荷（色荷）的夸克，它們分別是紅、綠和藍(lán)色色荷，與之相對應(yīng)，膠子也擁有色荷，當(dāng)膠子通過強(qiáng)力將這三種顏色的夸克拉到一起，它們對外顯示的就是白色，也就是重子的色荷呈中性。在現(xiàn)代粒子物理學(xué)中，這被稱為規(guī)范對稱。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，夸克的直徑小于10?1?米，這大約是質(zhì)子尺寸的10??倍，也就是說，質(zhì)子中的三個(gè)夸克相當(dāng)于泡在質(zhì)子的一大鍋“湯”里，這一鍋湯就是由膠子強(qiáng)力形成的粒子場。

質(zhì)能轉(zhuǎn)換

理論上夸克不能單獨(dú)存在，它必然與另一個(gè)或幾個(gè)夸克相結(jié)合使得總色荷為白色，而結(jié)合這些夸克的又必然是膠子，這被稱為夸克禁錮。所以到目前為止科學(xué)家找不到單獨(dú)的夸克，也找不到獨(dú)立出來的膠子。膠子與夸克如影隨形，相伴終生，也為這個(gè)物質(zhì)世界的存在打下了基礎(chǔ)。

那么膠子的粒子場到底是如何轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的呢？這需要從愛因斯坦的狹義相對論里找到解釋。

愛因斯坦

膠子本身是質(zhì)量為零的矢量玻色子，它通過與夸克的結(jié)合構(gòu)建起強(qiáng)大的力場，在這個(gè)粒子場里充滿了能量。

根據(jù)狹義相對論的質(zhì)能方程：E=MC2，當(dāng)光速一定時(shí)，物質(zhì)的能量與其質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系。因此膠子場強(qiáng)大色動(dòng)力學(xué)結(jié)合能（QCBE）在重子的閉合系統(tǒng)中就體現(xiàn)為重子的不變質(zhì)量。

由于我們無法在強(qiáng)子之外觀察到單獨(dú)存在的膠子，同時(shí)量子色動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)復(fù)雜性和強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)有些混亂，到目前為止沒有公式可以計(jì)算強(qiáng)子內(nèi)部到底存在多少膠子，也無法計(jì)算單個(gè)膠子所攜帶的能量，這些問題依然有待物理學(xué)家們繼續(xù)探索和解答。

是否存在其它的可能？

質(zhì)子中99%的質(zhì)量有可能是由希格斯玻色子產(chǎn)生的量子激發(fā)希格斯場帶來的嗎？科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，并且證明了它的能量場可以為基本粒子提供質(zhì)量。希格斯場是產(chǎn)生夸克和帶電輕子質(zhì)量的關(guān)鍵(通過湯川耦合)，通過希格斯機(jī)制，W和Z規(guī)范玻色子也可以獲得質(zhì)量。但希格斯場不能為所有粒子提供質(zhì)量，到目前為止沒有證據(jù)表明希格斯場可以為膠子提供質(zhì)量。

希格斯場可以為一些基本粒子提供質(zhì)量

在重子中，除了發(fā)揮強(qiáng)相互作用的膠子外，是否存在某一種暗物質(zhì)為重子提供了99%的質(zhì)量呢？物理學(xué)認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子是一種弱相互作用的大質(zhì)量粒子，它充斥于整個(gè)宇宙空間，通過重力與其它粒子相互作用。暗物質(zhì)占據(jù)宇宙大約85%的質(zhì)量，因?yàn)樗慌c可觀察到的電磁輻射（例如光）相互作用，我們使用現(xiàn)有的儀器無法檢測到它。

如果未來某一天科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子里確實(shí)存在這樣的暗物質(zhì)粒子，并且恰恰是它們?yōu)橹刈犹峁┝舜蟛糠值馁|(zhì)量，請不要覺得奇怪。因?yàn)榭茖W(xué)一直在發(fā)展，人類總會(huì)不斷在探索中發(fā)現(xiàn)新的東西，從而完善已有的理論，甚至創(chuàng)造出新的理論。

暗物質(zhì)質(zhì)量提供的額外引力將星系集合在了一起

總結(jié)：

質(zhì)子和中子各由三個(gè)不同色荷的夸克組成，這些夸克由膠子通過強(qiáng)相互作用力粘合在一起，目前已知夸克與膠子就是重子的全部。

三個(gè)夸克的質(zhì)量相加僅占重子質(zhì)量的1%，而提供強(qiáng)力的膠子本身的質(zhì)量為0，多出來99%的重子質(zhì)量從哪里來？狹義相對論認(rèn)為這巨大的質(zhì)量來自于膠子場強(qiáng)大的能量，能量等效于質(zhì)量。

盡管科學(xué)家們排除了希格斯場在膠子質(zhì)量上發(fā)揮了作用，但對暗物質(zhì)粒子的研究尚未有進(jìn)展。也許未來某一天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子中除了夸克和膠子，還有另外一些暗粒子才是其質(zhì)量的主要提供者。這并不代表狹義相對論被推翻，因?yàn)橘|(zhì)能方程還沒有準(zhǔn)確計(jì)算出膠子場的強(qiáng)度以及它確實(shí)為重子提供了多少質(zhì)量。