如果你去问科学爱好者最想得到的是什么 ， 他们可能会说是生命、宇宙以及万物的答案 ， 不过他们也可能想拥有《星球大战》里的光剑 。 有意思的是 ， 一种科学领域的研究有助于同时实现这两种目标 。 这个研究就是对质子和中子质量差的研究 。
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质子和中子的质量差
质子和中子统称为核子 ， 它们一起可以构成原子核——原子的核心部分 。 质子和中子的一个重要区别就是质子带正电 ， 中子不带电 。 但是 ， 它们之间还有一个重要的区别：质子和中子的质量是不一样的 ， 质子的质量约为938.3MeV ， 中子的质量约为939.6MeV 。 （MeV为兆电子伏特 ， 对应的质量约为1.783×10-30千克 。 ）
这个质量差虽然很小 ， 但是极为重要 。 中子比质子更重 ， 意味着中子是不稳定的 ， 它可以衰变为质子 ， 而不是反过来 。 物理学家推测出质子的半衰期至少有1032年 ， 鉴于我们的宇宙只存在了约1010年 ， 可以说现在没有人会观测到质子的衰变 。 这样 ， 有了稳定的质子 ， 才有了稳定的原子 。 如果质子比中子重的话 ， 这意味着稳定的粒子是中子而不是质子 ， 而中子不带电 ， 无法与电子结合形成原子 ， 那会导致宇宙永远只可能是基本粒子的世界 ， 你和我以及周围的一切都将不复存在 。
另外 ， 这个质量差的多少也极为重要 。 我们知道 ， 最简单的原子是氢原子 ， 包含一个质子和电子 。 氢是宇宙中最常见的化学元素 ， 早在宇宙第一颗恒星诞生之前 ， 氢就产生出来了 ， 氢在很高的温度下或很高的压强下可以嬗变形成更重的元素——氦 。 如果质量差变大一点的话 ， 氢就无法嬗变为氦 ， 因为所需要能量变得极高 。 这样 ， 宇宙将会只有氢元素 。
如果质量差变小一点的话 ， 那么氢就很轻易变成最不活泼的氦元素 ， 这样恒星形成将变得极为困难 ， 宇宙将会是氦的天下 。 如果质量差更小的话 ， 那么氢原子可以通过逆β衰变 ， 变为中子以及另一种中性粒子 ， 中微子 。 这样 ， 原子将不复存在 。
所以 ， 我们会得到这样的结论：质子和中子的质量差极为重要 ， 其差值改变一点点 ， 就会导致我们人类不复存在 。 那么这个差值是怎么来的呢？
难以捉摸的夸克泡沫
回答这个问题可不是一件容易的事情 。 因为早在半个多世纪前 ， 物理学家就知道 ， 中子和质子都不是基本粒子 ， 它们是由一种叫做夸克的基本粒子构成的 。 夸克总共有6种 ， 分别叫做上、下、粲、奇、底和顶 。 质子由2个上夸克和1个下夸克构成 ， 而中子由1个上夸克和2个下夸克构成 。
下夸克比上夸克略重 ， 但是不要指望这就可以解释质子和中子的质量差 。 上夸克和下夸克的质量都很小 。 我们很难知道它们确切的质量 ， 因为夸克从来都不会单独存在 。 不过 ， 物理学家初步估计 ， 上夸克的质量似乎介于2到3MeV之间 ， 而下夸克的质量大约是上夸克的两倍 。 所以说 ， 夸克只占中子和质子总质量很小的部分 。
就像其他的基本粒子一样 ， 夸克通过与无处不在的希格斯场发生作用获得质量 。 但是夸克质量很小 ， 要解释质子和中子的质量 ， 很显然还需要其他的机制 。
所需要的机制来自于量子色动力学 。 粒子具有电荷 ， 具有何种电荷决定了它们如何响应电磁力 。 同样 ， 夸克会携带3种“色荷”中的一种 ， 携带何种色荷决定了它们如何响应另一种基本作用力——强核力 。 强核力就是把夸克束缚在一起构成核子的力 ， 也是把核子束缚在一起构成原子核的力 。 而量子色动力学就是描述强核力的理论 ， 不过这个理论是极为复杂的 。
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