质子和中子：物质内部拥挤

每个原子的中心是一个原子核，一个微小的粒子集合，称为质子和中子。 在本文中，我们将研究质子和中子的性质，质子和中子由大小甚至更小的粒子组成-夸克，胶子和反夸克。 （胶子，像光子一样，是它们自身的反粒子）。 据我们所知，夸克和胶子可以是真正的基本元素（不可分割且不包含较小的东西）。 但是后来给他们。

令人惊讶的是，质子和中子的质量几乎相同-达到一定百分比：

• 0.93827 GeV / s ²在质子上，
• 0.93957 GeV / s ²在中子处。

这是它们本质的关键-它们实际上非常相似。 是的，它们之间有一个明显的区别：质子带正电，而中子不带电（它是中性的，因此得名）。 因此，电力作用在第一个上，而不作用在第二个上。 乍一看，这种差异似乎非常重要！ 但实际上并非如此。 在所有其他意义上，带有中子的质子几乎是双胞胎。 它们不仅与群众相同，而且与内部结构相同。

因为它们是如此相似，并且由于原子核是由这些粒子组成的，所以质子和中子通常被称为核子。

质子在1920年左右被识别和描述（尽管它们是较早发现的；氢原子的核只是一个独立的质子），中子在1933年被发现。 质子和中子是如此相似，他们几乎立刻就明白了。 但是直到1954年，他们才知道它们的可测量尺寸与原子核的尺寸相当（比半径的原子小100,000倍）。 从1960年代中期到1970年代中期，人们逐渐认识到它们由夸克，反夸克和胶子组成。 到70年代末和80年代初，我们对质子，中子及其组成的理解在很大程度上已经安定下来，自那时以来一直保持不变。

核子比原子或核更难描述。 并不是说原子基本上是简单的 ，但至少您可以毫不犹豫地说，氦原子由围绕一个微小氦原子核在轨道上运行的两个电子组成。 氦核是由两个中子和两个质子组成的相当简单的一组。 但是对于核子，一切都不是那么简单。 我已经在文章“ 质子是什么，质子里面是什么？ ”中写道，原子看起来像是优雅的尖塔，而核子看起来像是野党。

质子和中子的复杂性显然是非常雄心勃勃的，并且不是源于不完全的物理知识。 我们有方程式来描述夸克，反夸克和胶子，以及它们之间发生的强核相互作用。 这些方程式称为“ 量子色动力学 ”，称为QCD。 方程的准确性可以通过多种方式进行检查，包括测量出现在大型强子对撞机上的粒子数量。 将QCD方程代入计算机，并开始计算质子，中子和其他类似粒子（通常称为“强子”）的性质，我们获得了对这些粒子性质的预测，这非常接近于现实世界中的观测结果。 因此，我们有理由相信QCD方程式并不存在，并且我们对质子和中子的了解是基于正确的方程式。 但是仅仅拥有正确的方程是不够的，因为：

• 简单的方程式可能有非常复杂的解，
• 有时不可能以简单的方式描述复杂的解决方案。

据我们所知，核子就是这种情况：它们是简单QCD方程的复杂解，不可能用几个单词或图片来描述它们。

由于核子的内部复杂性，您（读者）将不得不做出选择：您希望了解多少所描述的复杂性？ 不管您走多远，它很可能都不会带给您满意：您学得越多，话题就会越清晰，但最终答案将保持不变-质子和中子非常复杂。 我可以为您提供三个层次的理解，并且详细程度有所提高。 您可以在任何级别上停下来然后切换到其他主题，也可以跳到最后一个主题。 关于每个级别，都会出现问题，我可以在下一部分中给出部分答案，但是新的答案会提出新的问题。 最后，就像我在与同事和高年级学生的专业讨论中所做的那样，我只能参考您在真实实验中获得的数据，各种有影响力的理论论据和计算机模拟。

第一层次的理解

质子和中子是什么制成的？


图 1：过于简化的质子版本，仅包含两个上夸克和一个下夸克，以及中子，仅包含两个下夸克和一个上夸克

为简化起见，许多书籍，文章和网站都指出质子由三个夸克组成（两个上部，一个下部），并画出类似大米的东西。 1.中子是相同的，仅由一个上夸克和两个下夸克组成。 这个简单的图像说明了主要在1960年代一些学者的看法。 但是很快就很清楚，这种观点被过分简化，以致不再正确。

从更复杂的信息源中，您会发现质子由胶子固定在一起的三个夸克（两个上夸克和一个下一个夸克）组成-可能会出现类似于图2的图片。 2，以弹簧或保持夸克的螺纹形式抽出胶子。 中子是相同的，只有一个上夸克和两个下夸克。


图 2：无花果的改良 1是由于强调夸克在质子中的强核相互作用的重要作用

这不是描述核子的一种好方法，因为它强调了强核相互作用的重要作用，由于胶子（就像光子，产生光的粒子一样）与电磁相互作用有关，夸克使质子保持在质子中。 但这也令人困惑，因为它并没有真正解释胶子是什么以及胶子是做什么的。

像我在其他文章中所做的那样，有理由继续进行描述：一个质子由三个夸克（两个上夸克和一个下夸克），一堆胶子和成堆的夸克-反夸克对组成（主要是上夸克和下夸克，但是有几个夸克奇怪）。 它们都以非常快的速度来回飞行（接近光速）。 整个过程通过强大的核相互作用而固定。 我在无花果中证明了这一点。 3.中子再次相同，但有一个上夸克和两个下夸克。 附属夸克用箭头指示。


图 3：质子和中子的图像更真实，尽管仍然不完美

这些夸克，反夸克和胶子不仅来回奔波，而且彼此碰撞并通过诸如粒子an灭（其中夸克和相同类型的夸克变成两个胶子，反之亦然）等过程彼此转化。吸收和释放胶子（其中夸克和胶子可能碰撞并产生一个夸克和两个胶子，反之亦然）。

这三个描述的共同点是：

• 两个上夸克和下夸克（加上其他东西）都有一个质子。
• 一个上夸克和两个下夸克（加上其他东西）有一个中子。
• 中子的“其他”与质子的“其他”同时出现。 也就是说，核子“还有其他”相同。
• 由于下夸克和上夸克之间的质量差，质子和中子之间出现了很小的质量差。

并且由于：

• 在上夸克中，电荷为2/3 e（其中e为质子电荷，-e为电子电荷），
• 在较低的夸克中，电荷为-1 / 3e，
• 胶子的电荷为0，
• 任何夸克及其对应的反夸克的总电荷为0（例如，反低夸克的电荷为+ 1 / 3e，因此低夸克和低反夸克的电荷为–1/3 e +1/3 e = 0），

每个数字将质子的电荷与两个上夸克和一个下夸克联系起来，“其他”使电荷0加。同样，由于一个上夸克和两个下夸克，中子的电荷为零：

• 质子的总电荷为2/3 e + 2/3 e-1/3 e = e，
• 中子的总电荷为2/3 e-1/3 e-1/3 e = 0。

这些描述在以下方面有所不同：

• 核子内部有多少“其他”，
• 它在做什么
• 其中质量和质量的能量来自（E = mc ² ，即使粒子处于静止状态，那里的能量也存在）核子。

由于原子的大部分质量以及所有普通物质都包含在质子和中子中，因此最后一点对于正确理解我们的本性极为重要。

图 1表示夸克实际上代表了三分之一的核子-与质子或中子代表四分之一的氦原子核或1/12的碳核大致相同。 如果这种模式是正确的，那么核子中的夸克将相对缓慢地移动（速度远低于光速），并且它们之间的相互作用相对较弱（尽管有一些强大的力将它们固定在适当的位置）。 夸克的质量，上下，将约为0.3 GeV / s ² ，约为质子质量的三分之一。 但是，这种简单的形象以及强加于他们的想法是不正确的。

图 3.给出了质子的完全不同的概念，质子是接近光速时在其中产生粒子的锅炉。 这些粒子相互碰撞，在这些碰撞中，其中一些消失了，而另一些在其位置生成。 胶子没有质量，上夸克的质量约为0.004 GeV / s ² ，下夸克的质量约为0.008 GeV / s ²小于质子。 质子质量能的来源是一个复杂的问题：它一部分来自夸克和反夸克的质量能，一部分来自夸克，反夸克和胶子的运动能，一部分（可能是正的，可能是负的）来自强核相互作用中存储的能量，将夸克，反夸克和胶子放在一起。

从某种意义上说，图。 2试图消除图之间的差异。 1和图。 3.简化了图。 3，删除许多夸克-反夸克对，原则上可以将它们称为短暂的，因为它们不断地出现和消失，并且不是必需的。 但它给人的印象是，核子中的胶子是保持质子的强核相互作用的直接部分。 她没有解释质子质量的来源。

在图。 如图1所示，除了质子和中子的窄框架之外，还有另一个缺点。 它没有解释其他强子的某些性质，例如pion和p-介子 。 大米也有同样的问题。 2。

这些限制导致了这样一个事实，即我的学生和我在我的网站上都用米饭拍了张照片。 3.但是我想警告她，她还有很多限制，我将在以后讨论。

值得注意的是，该结构的极端复杂性，即隐含的无花果。 在图3中，人们会期望通过诸如核相互作用之类的强大力量将一个物体抱在一起。 还有一件事情：三个夸克（质子上的两个上部和一个较低的下部），不属于反夸克夸克对， 通常被称为 “价夸克”，而反夸克夸克对通常被称为 “夸克海对”。 在许多情况下，这种语言在技术上都很方便。 但是它给人一种错误的印象，即如果您可以查看质子内部并查看某个夸克，您可以立即说出它是大海还是化合价的一部分。 这是不可能做到的，根本没有这种方法。

质子质量和中子质量

由于质子和中子的质量非常相似，并且质子和中子的区别仅在于用下部夸克代替上部夸克，因此它们的质量似乎是由相同的来源提供的，并且它们的差异是上下夸克之间的细微差别。 但是显示的三个数字表明，在质子质量起源方面存在三种截然不同的观点。

图 1表示上夸克和下夸克仅占质子和中子质量的1/3：约为0.313 GeV / s ² ，或者是由于将夸克保持在质子中所需的能量。 并且由于质子和中子的质量之差为百分之一，因此，上夸克和下夸克的质量之差也应为百分之一。

图 2不太清楚。 质子质量的哪一部分归因于胶子？ 但是，从原理上讲，从图中可以看出，大多数质子质量仍然来自于夸克质量，如图2所示。 1。

图 图3反映了质子质量实际出现方式的更微妙的方法（因为我们可以直接通过计算机对质子的计算来检查，而不是直接使用其他数学方法来检查）。 它与图2中所示的思想有很大不同。 1和2，事实并非如此简单。

要了解它是如何工作的，必须考虑的不是质子质量m，而是质子质量能E = mc ² ，即与质子相关的能量。 从概念上讲，正确的问题不是“质子质量m的来源”，之后您可以通过将m乘以c ²来计算E，反之亦然：“质子质量能E的来源”，然后您可以计算质量m，用E除以c ² 。

将质子质量能的贡献分为三类非常有用：

A）夸克和反夸克中所含质量的能量（静止能量）（胶子，无质量的粒子，不做任何贡献）。
B）夸克，反夸克和胶子的运动能量（动能）。
C）储存在保持质子的强核相互作用（更确切地说，在胶子场中）中的相互作用能（结合能或势能）。

图 3表示质子内部的粒子高速运动，并且充满了无质量的胶子，因此B）的贡献大于A）。 通常，在大多数物理系统中，B）和C）是可比较的，而C）通常是负数。 因此，质子（和中子）的质量能主要来自B）和C）的组合，而A）的贡献很小。 因此，质子和中子的质量的出现主要不是因为其中包含的粒子的质量，而是由于这些粒子的运动能量以及与产生保持质子力的胶子场相关的相互作用能。 我们知道，在大多数其他系统中，能量平衡的分配方式不同。 例如，在原子和太阳系中，A）占主导地位，B）和C）则要小得多，并且大小可比。

总结一下，我们指出：

• 图 1表明质子质量能来自A）的贡献。
• 图 2假设贡献A）和B）都很​​重要，而B）贡献了一点。
• 图 3表明B）和C）很重要，而A）的贡献微不足道。

我们知道那个无花果。 3.为了对其进行测试，我们可以进行计算机模拟，而且更重要的是，由于各种令人信服的理论论证，我们知道，如果上夸克和下夸克的质量为零（其他所有值保持不变），则质子的质量会改变。 因此，显然，夸克的质量不能对质子的质量做出重要贡献。

如果图片。 3不说谎，夸克和反夸克的质量很小。 他们到底是什么样的？ 上夸克（以及反夸克）的质量不超过0.005 GeV / s ² ，远小于0.313 GeV / s ² ，如图3所示。 1.（上夸克的质量很难测量，并且该值由于微妙的影响而变化，因此可以大大小于0.005 GeV / s ² ）。 下夸克的质量比上夸克的质量大约0.004 GeV / s ² 。 这意味着任何夸克或反夸克的质量都不会超过质子质量的百分之一。

请注意，这意味着（与图1相反）下夸克的质量与上夸克的质量之比不接近1！ 下夸克的质量至少是上夸克的质量的两倍。 中子和质子质量如此相似的原因并不是因为上夸克和下夸克的质量相似，而是因为上夸克和下夸克的质量非常小-相对于质子和中子的质量，它们之间的差异很小。 请记住，要将质子转换为中子，您只需要用较低的夸克替换其中一个（图3）。 这种替换足以使中子比质子重一点，并将其电荷从+ e更改为0。

顺便说一下，质子内部的各种粒子相互碰撞并不断出现和消失的事实并不会影响我们正在讨论的事物-能量存储在任何碰撞中。 质子的能量以及夸克和胶子的运动能量以及它们相互作用的能量都可以改变，但是质子的总能量并没有改变，尽管它内部的所有事物都在不断变化。 因此，尽管存在内部涡旋，质子的质量仍保持恒定。

此时，您可以停止并吸收收到的信息。 好厉害！ 普通物质中几乎所有的质量都来自原子核子的质量。 而且，这些质量大部分来自质子和中子固有的混乱-来自核子中夸克，胶子和反夸克的运动能量，以及使核子处于整个状态的强核相互作用功的能量。 是的：我们的星球，我们的身体，我们的呼吸是这种安静的结果，直到最近，还无法想象的拥挤。