为什么自身质量为0的胶子，却给了质子和中子99%的质量？

导语：为什么自身质量为0的胶子，却给了质子和中子99%的质量？

本文将讨论组成原子核的最主要粒子——质子与中子，它们的质量究竟是从哪里来的。

重子的质量之谜

初中生基本都学过，构成物质的最小单位是原子，原子是由原子核与核外电子组成，原子核里通常都有质子和中子（氢的核素氕除外，它的原子核就是一个质子）。等到进一步学习物理，就会了解到，质子和中子被称为重子，它们还可以再分，重子通常由三个夸克结合而成，夸克才是基本粒子。

质子与中子都由夸克构成，连接夸克的是无质量胶子

问题随之出现：我们知道质子的质量为938.272MeV/c²（约1.6726×10⁻²⁷kg）、中子的质量为939.565MeV/c²（约1.6749×10⁻²⁷kg），但组成它们的夸克质量却与之相差甚远。质子由两个上夸克与一个下夸克组成，这三个价夸克的静止质量之和约为9.4MeV/ c²；中子由一个上夸克与两个下夸克组成，其价夸克静止质量之和也只有11.9MeV/c²，这意味着组成重子的夸克质量仅约占重子质量的1%！

夸克与质子的质量对比

根据量子力学理论，夸克是不能互相吸引的，它们必须靠一种叫做胶子的粒子提供强力将其粘合在一起，胶子是规范玻色子，它的质量为0，也就是说胶子本身的质量对重子的质量并没有贡献。

质子和中子99%的质量从哪里来？

胶子是规范玻色子，其质量为0

胶子的能量

虽然胶子无质量，但它们仍然具有能量——颜色动力学结合能（QCBE）。它们类似于光子，光子也是带有能量的无质量粒子——光子能量。

QCBE是一种强核力，这也是宇宙中最强大的力量，它比已知的电磁力、弱相互作用力和万有引力都要强大得多，因此QCBE又被称为强力。在1飞米（10⁻¹⁵米）的范围内，强力大约是电磁力的137倍，是弱相互作用力的百万倍，是万有引力的10³⁸倍。因此它足以克服夸克之间相互排斥的力量，将其粘合在一起。量子力学理论认为，普通质子或中子的大部分质量是强力场能量作用的结果。

在重子中有三种不同颜色电荷（色荷）的夸克，它们分别是红、绿和蓝色色荷，与之相对应，胶子也拥有色荷，当胶子通过强力将这三种颜色的夸克拉到一起，它们对外显示的就是白色，也就是重子的色荷呈中性。在现代粒子物理学中，这被称为规范对称。

实验证据表明，夸克的直径小于10⁻¹⁹米，这大约是质子尺寸的10⁻⁴倍，也就是说，质子中的三个夸克相当于泡在质子的一大锅“汤”里，这一锅汤就是由胶子强力形成的粒子场。

质能转换

理论上夸克不能单独存在，它必然与另一个或几个夸克相结合使得总色荷为白色，而结合这些夸克的又必然是胶子，这被称为夸克禁锢。所以到目前为止科学家找不到单独的夸克，也找不到独立出来的胶子。胶子与夸克如影随形，相伴终生，也为这个物质世界的存在打下了基础。

那么胶子的粒子场到底是如何转化为质量的呢？这需要从爱因斯坦的狭义相对论里找到解释。

爱因斯坦

胶子本身是质量为零的矢量玻色子，它通过与夸克的结合构建起强大的力场，在这个粒子场里充满了能量。

根据狭义相对论的质能方程：E=MC²，当光速一定时，物质的能量与其质量呈正相关关系。因此胶子场强大色动力学结合能（QCBE）在重子的闭合系统中就体现为重子的不变质量。

由于我们无法在强子之外观察到单独存在的胶子，同时量子色动力学的数学复杂性和强子的结构有些混乱，到目前为止没有公式可以计算强子内部到底存在多少胶子，也无法计算单个胶子所携带的能量，这些问题依然有待物理学家们继续探索和解答。

是否存在其它的可能？

质子中99%的质量有可能是由希格斯玻色子产生的量子激发希格斯场带来的吗？科学家们已经发现了希格斯玻色子，并且证明了它的能量场可以为基本粒子提供质量。希格斯场是产生夸克和带电轻子质量的关键(通过汤川耦合)，通过希格斯机制，W和Z规范玻色子也可以获得质量。但希格斯场不能为所有粒子提供质量，到目前为止没有证据表明希格斯场可以为胶子提供质量。

希格斯场可以为一些基本粒子提供质量

在重子中，除了发挥强相互作用的胶子外，是否存在某一种暗物质为重子提供了99%的质量呢？物理学认为，暗物质粒子是一种弱相互作用的大质量粒子，它充斥于整个宇宙空间，通过重力与其它粒子相互作用。暗物质占据宇宙大约85%的质量，因为它不与可观察到的电磁辐射（例如光）相互作用，我们使用现有的仪器无法检测到它。

如果未来某一天科学家们发现质子和中子里确实存在这样的暗物质粒子，并且恰恰是它们为重子提供了大部分的质量，请不要觉得奇怪。因为科学一直在发展，人类总会不断在探索中发现新的东西，从而完善已有的理论，甚至创造出新的理论。

暗物质质量提供的额外引力将星系集合在了一起

总结：

质子和中子各由三个不同色荷的夸克组成，这些夸克由胶子通过强相互作用力粘合在一起，目前已知夸克与胶子就是重子的全部。

三个夸克的质量相加仅占重子质量的1%，而提供强力的胶子本身的质量为0，多出来99%的重子质量从哪里来？狭义相对论认为这巨大的质量来自于胶子场强大的能量，能量等效于质量。

尽管科学家们排除了希格斯场在胶子质量上发挥了作用，但对暗物质粒子的研究尚未有进展。也许未来某一天，我们会发现质子中除了夸克和胶子，还有另外一些暗粒子才是其质量的主要提供者。这并不代表狭义相对论被推翻，因为质能方程还没有准确计算出胶子场的强度以及它确实为重子提供了多少质量。