質(zhì)子的質(zhì)量從何而來(lái)？
整體應(yīng)該等于部分之和，但是質(zhì)子不是。原因如下。
整體等于部分之和。從星系到行星、到城市、到分子、再到原子，都是如此。如果你把任何一個(gè)系統(tǒng)的所有組件全都單獨(dú)拎出來(lái)看一看，就能清楚地看到它們是如何結(jié)合在一起并構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的。這就是總量等于它所有不同的部分加起來(lái)的量。
可質(zhì)子并不遵循這樣的規(guī)則。
質(zhì)子由3個(gè)夸克組成，但是如果把這3個(gè)夸克的質(zhì)量加起來(lái)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)字不但不等于質(zhì)子的實(shí)際質(zhì)量，而且兩者相差甚遠(yuǎn)。
那為什么質(zhì)子不遵循“總數(shù)等于部分之和”這個(gè)規(guī)律呢？這就是巴里·達(dá)菲要我們解決的問(wèn)題——
質(zhì)子內(nèi)部發(fā)生了什么？為什么它的質(zhì)量超過(guò)了組成它的夸克的質(zhì)量之和呢？
為了找出答案，我們必須要做一些深層次的了解。
圖解：人體的組成，事關(guān)原子的數(shù)量與質(zhì)量。我們身體的整體，等于身體各個(gè)部分的總和，直到小到一個(gè)很基礎(chǔ)的尺度才不是如此。在這個(gè)尺度上，我們就能發(fā)現(xiàn)實(shí)際上我們比各部分的組成之和大一些。
(ED UTHMAN, M.D., VIA WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN (L); WIKIMEDIA COMMONS USER ZHAOCAROL (R))
從我們自己的身上可以得到一個(gè)提示——如果把自身細(xì)分得越來(lái)越小，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量這方面，整體等于各部分之和。你身體的骨骼，脂肪，肌肉和器官加起來(lái)就是一個(gè)完整的人。進(jìn)一步細(xì)分下去，就算到細(xì)胞的層次，把各部分質(zhì)量加起來(lái)依然等于你現(xiàn)在的體重。
細(xì)胞可以被分為細(xì)胞器，細(xì)胞器由單個(gè)的分子組成，分子又由原子組成，在各自的層次上，這些整體的質(zhì)量和部分質(zhì)量的總和沒(méi)有區(qū)別。但是到了原子以下，質(zhì)子、中子和電子層次的時(shí)候，有趣的事情發(fā)生了。在那個(gè)層次，有一個(gè)微小但非常明顯的差異：?jiǎn)蝹€(gè)質(zhì)子、中子和電子從整個(gè)人體中偏離 1％左右。這種差異是真實(shí)的。
圖解：從宏觀尺度到亞原子，基本粒子的大小在決定復(fù)合結(jié)構(gòu)的大小方面起的作用微乎其微。構(gòu)建基塊是否真正具有基本面和/或點(diǎn)狀粒子仍不得而知。(圖源：MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM)
與所有已知的生物一樣，人類(lèi)也是碳基生命形式。碳原子由六個(gè)質(zhì)子和六個(gè)中子組成，但如果你測(cè)一下碳原子的質(zhì)量，它大約比組成它的各個(gè)成分的總和輕0.8%。罪魁禍?zhǔn)资呛思s束性能源；當(dāng)你把原子核結(jié)合到一起時(shí)，它們的總質(zhì)量比構(gòu)成它們的質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和要小。
碳是由氫聚變成氦，然后再由氦聚變而來(lái)；大多數(shù)類(lèi)型恒星在主序星與紅巨星階段都會(huì)通過(guò)這種過(guò)程釋放能量。由愛(ài)因斯坦的E = mc可知，這種“質(zhì)量虧損”是恒星能量的來(lái)源。當(dāng)恒星在燃燒時(shí)，它們會(huì)制造出更加緊密結(jié)合的原子核，以輻射的形式釋放出能量。
圖解：在天琴座第二和第三亮的恒星，藍(lán)色巨型恒星謝利亞克和蘇拉法特之間，環(huán)形星云在夜空中閃耀。在恒星生命的所有階段，包括巨相，核聚變?yōu)楹阈翘峁﹦?dòng)力，核與核將更加緊密地結(jié)合，通過(guò)E = mc將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的輻射所發(fā)射的能量將更加緊密。(圖源：NASA, ESA, DIGITIZED SKY SURVEY 2)
大多數(shù)類(lèi)型的結(jié)合能的工作原理是這樣的：將結(jié)合在一起的東西拆開(kāi)時(shí)會(huì)遇到困難，原因是因?yàn)樗鼈冊(cè)诒贿B接在一起時(shí)釋放出了能量，而你必須把這部分能量重新歸還給它們，才能將它們拆開(kāi)。
看一看構(gòu)成質(zhì)子的粒子——它們核心的兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克——它們的組合質(zhì)量只有質(zhì)子整體質(zhì)量的0.2%，結(jié)合能就是產(chǎn)生這么一個(gè)令人費(fèi)解的事實(shí)的原因。
不過(guò)，我們還可以從結(jié)合能的本質(zhì)上來(lái)解釋這個(gè)事實(shí)。
夸克結(jié)合成質(zhì)子的方式，與我們所知道的其他力相互作用力有著根本上的區(qū)別。一般物體（注：宏觀）之間的引力、電磁力會(huì)隨著距離縮短而變強(qiáng)。但夸克不同，當(dāng)夸克之間任意接近后，這些吸引力都會(huì)變?yōu)?。
圖解：質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括了夸克、膠子和夸克自旋。核力的作用就像彈簧，當(dāng)未拉伸時(shí)，力可以忽略不計(jì)。當(dāng)拉伸時(shí)，又會(huì)變得很大。(圖源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
強(qiáng)核力的這種特性被稱(chēng)為漸近自由，而介導(dǎo)這種力的粒子被稱(chēng)為膠子。由于未知得原因，質(zhì)子質(zhì)量的99.8%，來(lái)自這些膠子。在某種程度上，整體的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其各部分的總和。
一開(kāi)始聽(tīng)起來(lái)似乎不可能，因?yàn)槟z子本身就是無(wú)質(zhì)量顆粒。但是你可以把它們之間產(chǎn)生的力量看作彈簧：當(dāng)彈簧伸縮量為0時(shí)，彈簧不產(chǎn)生彈力，但是形變量越大彈力越大。事實(shí)上，兩個(gè)夸克之間的能量，其距離變得太大，它就像額外的夸克/反夸克對(duì)存在于質(zhì)子：?？淇恕?/p>
當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子碰撞時(shí)，參與碰撞的不僅僅是夸克，還有?？淇恕⒛z子，以及超越這些的場(chǎng)相互作用。所有這些都可以提供對(duì)單個(gè)組件自旋的見(jiàn)解，并使我們能夠在達(dá)到足夠高的能量和亮度時(shí)產(chǎn)生潛在的新粒子。(圖源：CERN / CMS COLLABORATION)
你們中那些熟悉量子場(chǎng)理論的人可能渴望把膠子和海夸克視為虛擬粒子：用來(lái)得出正確結(jié)果的計(jì)算工具。但事實(shí)并非如此，我們已經(jīng)在兩個(gè)質(zhì)子或質(zhì)子和另一個(gè)粒子之間的高能碰撞中得到了證明，如電子或光子。
歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的碰撞也許是對(duì)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最大考驗(yàn)。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子在這些超高能量碰撞時(shí)，它們大多數(shù)只是相互傳遞，無(wú)法相互作用。但是，當(dāng)兩個(gè)內(nèi)部的點(diǎn)狀粒子碰撞，我們可以通過(guò)觀察碰撞產(chǎn)生的碎片來(lái)精確地重建被撞碎的物體。
圖源：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的緊湊型穆恩電磁閥探測(cè)器中看到的希格斯玻色子事件。這次壯觀的碰撞比普朗克能量低15個(gè)數(shù)量級(jí)，但正是探測(cè)器的精確測(cè)量使我們能夠重建在碰撞點(diǎn)（和附近）發(fā)生的一切。從理論上講，希格斯給基本粒子帶來(lái)質(zhì)量；然而，質(zhì)子的質(zhì)量不是由于構(gòu)成它的夸克和膠子的質(zhì)量。(圖源：CERN / CMS COLLABORATION)
不到10%的碰撞發(fā)生在兩個(gè)夸克之間；絕大多數(shù)是膠子-膠子碰撞，夸克-膠子碰撞是剩余部分。此外，質(zhì)子中的夸克-夸克碰撞并非都發(fā)生在上夸克或下夸克之間；有時(shí)涉及較重的夸克。
雖然這可能讓我們感到不舒服，但這些實(shí)驗(yàn)給了我們一個(gè)重要的教訓(xùn)：我們用來(lái)模擬質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子是真實(shí)的。事實(shí)上，希格斯玻色子本身的發(fā)現(xiàn)之所以可能，只是因?yàn)檫@個(gè)原因，因?yàn)橄８袼共Ｉ拥纳a(chǎn)主要是由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的膠子-膠子碰撞所支配的。如果我們擁有三個(gè)要依賴(lài)的價(jià)夸克，我們會(huì)看到希格斯的生產(chǎn)成本比我們不同。
圖解：在希格斯玻色子的質(zhì)量被知道之前，我們?nèi)匀豢梢杂?jì)算在LHC的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中希格斯玻色子的預(yù)期生產(chǎn)速率。頂部通道顯然是由膠子-膠子碰撞生產(chǎn)。I(E.Siegel)添加了黃色突出顯示區(qū)域，以指示希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)位置。(圖源：CMS COLLABORATION (DORIGO, TOMMASO FOR THE COLLABORATION) ARXIV:0910.3489)
和往常一樣，我們還有很多東西需要學(xué)習(xí)。我們目前有一個(gè)質(zhì)子內(nèi)典型膠子密度的實(shí)體模型，但如果我們想要知道膠子實(shí)際上更可能位于何處，這需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及更好的模型來(lái)比較數(shù)據(jù)。理論家比約恩·申克和?；ぢ偎_里的進(jìn)展或許能夠提供那些需求高的模型。正如梅恩蒂薩里所詳述的:
“質(zhì)子內(nèi)的平均膠子密度有多大,這是非常準(zhǔn)確的。不知道的是膠子在質(zhì)子內(nèi)部的確切位置。我們模擬三個(gè)[價(jià)]夸克周?chē)哪z子。然后，我們通過(guò)設(shè)置膠子云的較大程度以及它們之間的距離來(lái)控制模型中表示的波動(dòng)量…我們的波動(dòng)越多，這個(gè)過(guò)程[產(chǎn)生J/ ψ 介子發(fā)生]的可能性就越大?！?/p>
圖源：世界第一個(gè)電子-電子子對(duì)撞機(jī)(EIC)的示意圖。在布魯克黑文的相對(duì)論重子對(duì)撞機(jī)(RHIC)中加入電子環(huán)（紅色）將創(chuàng)建eRHIC:一個(gè)擬議的深度無(wú)彈性散射實(shí)驗(yàn)，可以顯著提高我們對(duì)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解。(圖解：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY-CAD ERHIC GROUP)
這一新的理論模型和不斷改進(jìn)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）數(shù)據(jù)的結(jié)合,將能更好地使科學(xué)家了解質(zhì)子、中子和核的內(nèi)部、基本結(jié)構(gòu),從而了解已知物體的質(zhì)量。宇宙來(lái)自從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)看，最大的好處將是下一代電子-電子對(duì)撞機(jī)，這將使我們能夠進(jìn)行深度無(wú)彈性散射實(shí)驗(yàn)，以揭示這些粒子的內(nèi)在組成，這是前所未有的。
但還有另一種理論方法,可以帶我們更遠(yuǎn)進(jìn)入理解質(zhì)子質(zhì)量的來(lái)源的領(lǐng)域：格點(diǎn)QCD。
圖解：通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和新的理論發(fā)展，已經(jīng)更好地理解了質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括'海'夸克和膠子的分布方式。(圖源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
量子場(chǎng)理論描述的強(qiáng)力——量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)——的難點(diǎn)是，我們做計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法是不好的。通常，我們會(huì)看看粒子耦合的影響：帶電夸克交換一個(gè)膠子，并調(diào)節(jié)力。它們可以以一種產(chǎn)生粒子-反粒子對(duì)或額外的膠子的方式交換膠子，這應(yīng)該是對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的單膠交換的修正。它們可以創(chuàng)建額外的對(duì)或膠子，這將是高階校正。
我們稱(chēng)這種方法在量子場(chǎng)理論中具有擾動(dòng)性擴(kuò)展，認(rèn)為計(jì)算更高階的貢獻(xiàn)將給我們一個(gè)更準(zhǔn)確的結(jié)果。
圖解：如今，F(xiàn)eynman 圖表用于計(jì)算跨越強(qiáng)力、弱力和電磁力的每個(gè)基本相互作用，包括在高能和低溫/濃縮條件下。但是這種方法依賴(lài)于擾動(dòng)擴(kuò)展，對(duì)于強(qiáng)交互來(lái)說(shuō)其效用有限，因?yàn)楫?dāng)您為 QCD 添加越來(lái)越多的循環(huán)時(shí)，此方法會(huì)分散而不是收斂。.(圖源：DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)
但是這種方法對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)(QED)非常有效，但它在QCD中卻失敗了。強(qiáng)力的工作方式不同，因此這些修正非常迅速。添加更多術(shù)語(yǔ)，而不是向正確答案趨同，偏離并帶您遠(yuǎn)離它。幸運(yùn)的是，有另一種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：使用一種叫做格點(diǎn)QCD的技術(shù)，不擾動(dòng)地。
通過(guò)將空間和時(shí)間視為網(wǎng)格（或點(diǎn)格），而不是連續(xù)體，其中晶格任意大，間距任意小，您可以巧妙地克服此問(wèn)題。在標(biāo)準(zhǔn)、擾動(dòng)的 QCD 中，空間的連續(xù)特性意味著您失去了在小距離上計(jì)算交互強(qiáng)度的能力，而晶格方法意味著在晶格間距的大小處存在截止?？淇舜嬖谟诰W(wǎng)格線(xiàn)的交點(diǎn)；沿著連接網(wǎng)格點(diǎn)的鏈接存在膠子。
隨著計(jì)算能力的提高，您可以縮小晶格間距，從而提高計(jì)算精度。在過(guò)去的三十年中，這項(xiàng)技術(shù)導(dǎo)致了固體預(yù)測(cè)的爆炸，包括光核的質(zhì)量以及特定溫度和能量條件下的聚變反應(yīng)速率。質(zhì)子的質(zhì)量，從第一原理，現(xiàn)在可以理論上預(yù)測(cè)到2%以?xún)?nèi)。
圖解：隨著計(jì)算能力和萊迪思QCD技術(shù)隨著時(shí)間推移而提高，質(zhì)子的各種數(shù)量（如其分量自旋貢獻(xiàn)）的精度也不斷提高。通過(guò)減小晶格間距大?。ㄖ恍杼岣咚褂玫挠?jì)算能力即可完成），我們不僅可以更好地預(yù)測(cè)質(zhì)子的質(zhì)量，還可以預(yù)測(cè)所有重子和介子的質(zhì)量。(圖源：LABORATOIRE DE PHYSIQUE DE CLERMONT / ETM COLLABORATION)
確實(shí)，單個(gè)夸克的質(zhì)量是由它們與希格斯玻色子耦合決定的，甚至不能占質(zhì)子質(zhì)量的1%。相反，由夸克和膠子之間的相互作用所描述的強(qiáng)大的力量實(shí)際上對(duì)所有這些力量負(fù)責(zé)。
強(qiáng)大的核力是整個(gè)已知宇宙中最強(qiáng)大的相互作用。當(dāng)你進(jìn)入像質(zhì)子這樣的粒子時(shí)，它非常強(qiáng)大，以至于它——不是質(zhì)子組成粒子的質(zhì)量——對(duì)宇宙中正常物質(zhì)的總能量(因此質(zhì)量)負(fù)有主要責(zé)任?？淇丝赡芟顸c(diǎn)一樣，但相比而言質(zhì)子是巨大的：直徑為8.4×10-16米。限制其成分粒子，這是強(qiáng)力的結(jié)合能量，是導(dǎo)致質(zhì)子質(zhì)量的99.8%。
作者: medium
FY: 克里斯汀娜
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