如果他倆一樣重，可就沒有宇宙了？

如果你去問科學愛好者最想得到的是什麼，他們可能會說是生命、宇宙以及萬物的答案，不過他們也可能想擁有《星球大戰》里的光劍。有意思的是，一種科學領域的研究有助於同時實現這兩種目標。這個研究就是對質子和中子質量差的研究。

質子和中子的質量差

質子和中子統稱為核子，它們一起可以構成原子核——原子的核心部分。質子和中子的一個重要區別就是質子帶正電，中子不帶電。但是，它們之間還有一個重要的區別：質子和中子的質量是不一樣的，質子的質量約為938.3MeV，中子的質量約為939.6MeV。（MeV為兆電子伏特，對應的質量約為1.783×10-30千克。）

這個質量差雖然很小，但是極為重要。中子比質子更重，意味著中子是不穩定的，它可以衰變為質子，而不是反過來。物理學家推測出質子的半衰期至少有10³²年，鑒於我們的宇宙只存在了約10¹⁰年，可以說現在沒有人會觀測到質子的衰變。這樣，有了穩定的質子，才有了穩定的原子。如果質子比中子重的話，這意味著穩定的粒子是中子而不是質子，而中子不帶電，無法與電子結合形成原子，那會導致宇宙永遠只可能是基本粒子的世界，你和我以及周圍的一切都將不復存在。

另外，這個質量差的多少也極為重要。我們知道，最簡單的原子是氫原子，包含一個質子和電子。氫是宇宙中最常見的化學元素，早在宇宙第一顆恆星誕生之前，氫就產生出來了，氫在很高的溫度下或很高的壓強下可以嬗變形成更重的元素——氦。如果質量差變大一點的話，氫就無法嬗變為氦，因為所需要能量變得極高。這樣，宇宙將會只有氫元素。

如果質量差變小一點的話，那麼氫就很輕易變成最不活潑的氦元素，這樣恆星形成將變得極為困難，宇宙將會是氦的天下。如果質量差更小的話，那麼氫原子可以通過逆β衰變，變為中子以及另一種中性粒子，中微子。這樣，原子將不復存在。

所以，我們會得到這樣的結論：質子和中子的質量差極為重要，其差值改變一點點，就會導致我們人類不復存在。那麼這個差值是怎麼來的呢？

難以捉摸的夸克泡沫

回答這個問題可不是一件容易的事情。因為早在半個多世紀前，物理學家就知道，中子和質子都不是基本粒子，它們是由一種叫做夸克的基本粒子構成的。夸克總共有6種，分別叫做上、下、粲、奇、底和頂。質子由2個上夸克和1個下夸克構成，而中子由1個上夸克和2個下夸克構成。

下夸克比上夸克略重，但是不要指望這就可以解釋質子和中子的質量差。上夸克和下夸克的質量都很小。我們很難知道它們確切的質量，因為夸克從來都不會單獨存在。不過，物理學家初步估計，上夸克的質量似乎介於2到3MeV之間，而下夸克的質量大約是上夸克的兩倍。所以說，夸克只佔中子和質子總質量很小的部分。

就像其他的基本粒子一樣，夸克通過與無處不在的希格斯場發生作用獲得質量。但是夸克質量很小，要解釋質子和中子的質量，很顯然還需要其他的機制。

所需要的機制來自於量子色動力學。粒子具有電荷，具有何種電荷決定了它們如何響應電磁力。同樣，夸克會攜帶3種「色荷」中的一種，攜帶何種色荷決定了它們如何響應另一種基本作用力——強核力。強核力就是把夸克束縛在一起構成核子的力，也是把核子束縛在一起構成原子核的力。而量子色動力學就是描述強核力的理論，不過這個理論是極為複雜的。

帶電荷的粒子通過交換無質量的光子來傳遞電磁力。類似地，帶色荷的夸克通過交換某種基本粒子來傳遞強核力，並束縛在一起，形成質子和中子。這種基本粒子叫做膠子，它也沒有質量，不過具有很大的能量。根據愛因斯坦的質能等價原理，即E=mc²，這種能量可以轉換為一大堆夸克和反夸克對。所以說在質子和中子內部，除了3種正常的夸克以外，還有很多個夸克和反夸克對。根據量子力學的不確定性原理，這些額外的夸克對會不停地產生並消失。這些夸克對以及它們之間的膠子一起構成了夸克泡沫。物理學家認為，在夸克泡沫內，夸克、反夸克和膠子之間的相互作用和運動時所含的能量，是質子和中子的大部分質量的來源。

在核子內部劃格子

為了計算出夸克泡沫究竟能提供多少質量，在過去的40多年裡，物理學家發明了一種新的技術來研究它，叫做格點量子色動力學。這種技術類似於氣象學家常使用的辦法：氣象學家常把地球的大氣劃分為一系列邊長為幾千米的3維的格子，來研究大氣複雜的運動。同樣，格點量子色動力學是把核子內部劃分為一系列很小的格子。這種小格子的頂點是由夸克組成，格子的邊由膠子的路徑形成。計算出所有格子邊上的作用力，以及作用力如何隨著時間變化的，綜合起來，這樣你就知道整個核子是什麼樣的。

但問題是，夸克泡沫內作用力的數量太多了，需要大量的計算。而且，因為量子物理不會提供確定的結果，所以你得至少把上千種不同的情況都算一遍，來得到一個「平均」的結果。所以說，這種計算人是做不了的，我們得求助於計算機。

德國伍珀塔爾大學的物理學家佐爾坦·福多爾和他的同事利用IBM的「藍色基因」超級計算機等設備進行了計算。2008年，他們終於得到了結果：質子或中子的質量為936MeV，誤差為±25MeV。這說明，夸克泡沫內的能量構成了質子和中子大部分的質量。儘管你感覺自己是個實體，但事實上99%的你只是能量。

但是，上面的這個計算很不精確，不足以算出質子和中子之間的質量差。另外，他們的計算還有著一個很明顯的遺漏：來自電荷的效應。核子內所有短暫出現的夸克和反夸克都帶有電荷，這樣會使它們具有額外的能量，自然會產生額外的質量。如果不把這種效應算進去，那麼一切都白費力。

因此，要想去解釋質子和中子之間的質量差，除了需要量子色動力學以外，還需要量子電動力學，即解釋粒子之間電磁力的理論。但是，這給物理學家出了個大難題。因為，要把量子電動力學和量子色動力學融為一個框架內十分困難，有時還會在計算中產生無窮大的結果。不過，福多爾和他的同事不斷地努力，把每個出問題的計算都解決掉了，最終在2015年，他們成功地計算出了質子和中子之間的質量差。儘管得到的結果誤差為±20%，但他們所採用的計算方法卻是粒子物理學研究中的一個里程碑。

從原子時代進入夸克時代

福多爾等人的研究，除了解釋了這個關係到我們自身存在的質量差以外，也表明我們已經有能力去計算核子內部是如何運作的。這樣，我們可以解決以前無法解決的許多物理學問題。

例如，超新星的爆發是產生更重的化學元素的關鍵來源，在過去無法計算化學元素的產生過程。不過現在，利用福多爾的計算方法，物理學家將有能力去計算這個問題。另外，這種計算方法還可以幫助我們解決物理學中許多懸而未決的基本問題：為什麼大爆炸之後剩下的是物質，而不是產生等量的物質和反物質？為什麼質子和電子極為不同，但是卻具有等量的電荷？如果有了新的理論，物理學家就可以套用福多爾的計算方法去進行驗證。

另外，這種計算方法來得正是時候。現在，歐洲的大型強子對撞機正在以更高的能量進行粒子對撞，如果遇到新的不尋常的信號，物理學家可利用福多爾的計算方法去研究。

儘管聽起來有點誇張，不過既然我們已經有了能力去計算核子內部的運行情況，那麼預示著將來還可以催生出相關的技術。

回想一下，一個多世紀前，我們開始逐步理解原子，這使得我們最終發明出了現代計算機以及激光等等。之後，隨著對原子核的理解，我們還發明出了核彈、核電站和癌症化療技術等等。

所以，走進質子和中子內部必然會帶來全新的技術。例如，膠子傳遞強核力的程度比光子傳遞電磁力的程度更為劇烈，這意味操縱攜帶色荷的粒子可以產生更多的能量，以此可以研發出更為強大的X射線或伽瑪射線源。另外，膠子不像光子，它們可以與自己發生相互作用，形成一種彼此纏繞的能量柱，物理學家認為依據這個原理，可以製造出類似《星球大戰》中的光劍。

也許能帶來的最重要的技術是密集能量儲存技術。核子可以在很小的空間里存儲很多能量，如果我們在理論和實驗中完全搞清楚了核子，那麼早晚有一天我們會找到像核子那樣存儲能量的辦法。

福多爾的計算方法出現，意味著我們將會走進一個全新的時代——夸克時代。

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