现代物理学告诉我们，质量不是物质的内部特性
现在您正在坐着阅读本文。 也许在纸上，也许在电子书中，在平板电脑或计算机上。 没关系 无论使用哪种读取设备，都可以确保它包含某种物质：纸张，塑料，微小的电子物品，印刷电路板。 无论是什么，我们都将其称为物质，物质。 他有力量，他有质量。
但是有什么关系呢？ 想象一个冰肋长2.7厘米的冰块，想象它握在手掌中。 天气很冷，有点滑。 他体重很轻，但仍然有一些体重。
让我们澄清这个问题。 冰块由什么组成？ 第二个重要问题：是什么对其质量负责？
要了解冰块的组成，我们需要转向化学家获得的知识。 根据炼金术士建立的悠久传统，这些科学家区分出各个化学元素-氢，碳，氧。 对此类元素的相对重量以及气体体积的组合的研究，导致
约翰·道尔顿和
路易斯·盖伊·卢萨克得出结论，各种化学元素由不同重量的原子组成，并根据参与原子总数的规则进行组合。
当他们意识到氢气和氧气是双原子气体（即H
2和O
2）时，解决了将氢气和氧气等气体结合以产生水的谜团。 水是包含两个氢原子和一个氧原子H
2 O的复合物质。
这部分地回答了我们的第一个问题。 我们的冰块由周期性组织的H
2 O分子组成，我们已经可以开始回答第二个问题。
阿伏加德罗定律假定一摩尔化学物质包含6×10
23个单独的“颗粒”。 我们可以想像一摩尔物质的分子量，其分子量可以换算成克。 对于H
2形式的氢
，相对分子量（或
分子量 ）为2，这意味着每个原子的相对原子量为1。对于氧，O
2的分子量为32，这意味着每个原子的原子量为16。因此，H
2 O水的分子量为2×1 + 16 = 18
事实证明，我们的冰块重约18克，这意味着它是一摩尔水。 根据阿伏加德罗定律，在这种情况下，它应包含约6×10
23 H
2 O分子，这似乎可以肯定地回答我们的第二个问题。 冰块的质量是从6×10
23 H
2 O分子中包含的氢和氧原子的质量获得的。
但是，我们当然可以走得更远。
汤姆森 （
J.J. Thomson） ，
欧内斯特·卢瑟福 （
Ernest Rutherford） ，
尼尔斯·玻尔 （
Niels Bohr）以及许多其他20世纪初的物理学家告诉我们，所有原子都由重的中心核组成，在它们的轨道上被轻电子包围。 然后我们了解到中心核由质子和中子组成。 原子核中的质子数决定元素的化学同一性：氢原子有一个质子，氧原子有8个质子（这称为原子数）。 但是原子核的总质量或重量由质子和中子的总数决定。
在氢中，这仍然是一个单位（其原子核由一个质子组成-没有中子）。 最常见的氧同位素-猜猜看吗？ -16（八个质子和八个中子）。 显然，这些质子和中子与上述原子质量完全相同并非巧合。
如果我们忽略光电子，那么我们很容易说冰块的质量包含在氢和氧原子核中的所有质子和中子中。 每个H
2 O分子贡献10个质子和8个中子，因此，如果立方体包含6×10
23个分子，并且我们可以忽略质子和中子的质量差，我们可以得出结论，立方体包含18倍以上的粒子，即108×10
23质子和中子。
到目前为止，一切都很好。 但是我们还没有完成。 现在我们知道质子和中子不是基本粒子。 它们由夸克组成。 一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成[
事实上， 不是那么 /大约。 佩雷夫 ]。 无质量胶子负责将夸克粘合在一起的较大的颜色相互作用。
好的，所以我们只需要继续。 如果我们再次使上夸克和下夸克的质量大致相等，我们只需将我们的数字乘以三，然后将108×10
23质子和中子变成324×10
23上夸克和下夸克。 我们可以得出结论，在那里包含了整个质量。 ?？
不行 在这个阶段，我们与原子相关的幼稚偏见正在崩溃。 我们可以在“粒子数据组”网站上看到上夸克和下夸克的质量[
物理学家的
国际合作，对在粒子研究中获得的结果进行了计算。 佩雷夫 ]。 上夸克和下夸克非常轻，无法精确测量其质量，因此仅给出范围。 下图以MeV / s
2给出 。 在这些单位中，上夸克的质量大约等于2.3，在1.8到3.0的范围内。 较低的夸克重4.8，范围为4.5至5.3。 将这些质量与相同单位的电子质量进行比较：0.51。
现在令人震惊的消息。 在相同的单位MeV / s
2下 ，质子的质量为938.3，中子的质量为939.6。 但是上，下两个夸克的组合仅给我们9.4，仅占质子质量的1％。 两个下夸克和一个上夸克的组合仅给我们11.9，即中子质量的1.3％。 质子和中子质量的99％消失在某处。 怎么了？
要回答这个问题，您需要了解我们正在处理的内容。 夸克不是古希腊人或
机械哲学家所想象的那种独立粒子。 这些是量子波粒子； 基本振动或基本量子场的波动。 上夸克和下夸克仅比电子重几倍，而且我们已经在无数的实验室实验中证明了电子的粒子波性质。 我们需要为奇怪的甚至不自然的行为做好准备。
而且，不要忘记无质量的胶子。 关于狭义相对论和E = mc
2 。 或关于“
裸 ”和“穿着”群众。 然而，最后但并非最不重要的一点是，我们不会忘记希格斯场作为所有基本粒子质量的“来源”的作用。 要了解质子或中子内部发生了什么，我们需要转向量子色动力学，转向夸克
颜色相互作用领域的量子理论。
夸克和胶子具有“
色电荷 ”。 但是到底是什么呢？ 我们没有办法知道这一点。 我们知道颜色是夸克和胶子的性质，物理学家决定将三种类型称为红色，绿色和蓝色。 但是就像没有人见过孤立的夸克或胶子一样，从定义上讲，也没有人见过裸色电荷。 实际上，
量子色动力学 （QCD）声称，如果出现这种裸电荷，其能量将几乎是无限的。 亚里斯多德的格言听起来像是“
自然不能容忍空虚” 。 今天我们可以说：“自然不能容忍裸色。”
那么，如果我们以某种方式设法创建一个隔离的夸克并显示色电荷，会发生什么呢？ 它的能量将超过所有极限，足以从“空”空间产生虚拟胶子。 就像电子在其自身中移动，独立创建的电磁场一样，会收集成簇的虚拟光子，裸夸克也会收集与之伴随的虚拟胶子。 但是胶子与光子不同，胶子转移其色电荷，并能够通过尤其是掩盖开放的色电荷来减少能量。 想象一下：裸夸克非常尴尬，并迅速穿着胶衣披风。
但这还不够。 该能量足够高，不仅会引起虚拟粒子（类似于背景噪声或嘶嘶声），而且还会导致真实的基本粒子。 在这场争夺覆盖裸色电荷的权利的斗争中，出现了一个反夸克，与一个夸克配合并形成介子。 因此，没有陪伴者就不会看到夸克。
但这还不够。 为了完全覆盖色电荷，我们需要将反夸克放置在与夸克完全相同的位置，并且完全在同一时间。
海森堡的不确定性原则禁止自然界以这种方式指定夸克和反夸克的位置。 回想一下，位置的精确测量会导致无限的动量，能量随时间的准确变化率会导致无限的能量。 自然别无选择，只能妥协。 她不能完全隐藏颜色电荷，但是可以在反夸克和虚拟胶子的帮助下掩盖它。 然后，能量至少减小到受控水平。
质子和中子内部也发生同样的事情。 在它们的宿主粒子施加的限制内，三个夸克在这里和那里相对自由地携带。 但是也必须覆盖其有色电荷，或者至少有必要减少裸电荷的能量。 每个夸克都导致在整个夸克和反夸克对之间涌出一整个虚拟胶子的暴风雪。 物理学家有时称构成质子或中子
价子的三个夸克为“
价 ”夸克，因为在这些粒子内部有足够的能量来构成夸克-反夸克对。 价夸克不是这些粒子内部唯一的夸克。
这意味着质子和中子的质量主要归因于胶子的能量和由有色场引起的夸克-反夸克对的海洋。
我们怎么知道呢？ 必须承认，使用QCD进行计算实际上非常困难。 颜色相互作用非常强，因此相应的相互作用能很高。 请记住，胶子也带有电荷，因此所有事物都与其他事物相互作用。 几乎所有事情都可能发生，并且很难考虑虚拟粒子和基本粒子的所有可能转换。
这意味着尽管QCD方程可以相对简单地编写，但无法在纸上进行解析求解。 此外，已经成功地用于量子电动力学中的数学手法不再适用-因为相互作用能很高，以至于我们无法应用
归一化 。 物理学家别无选择，只能在计算机上求解这些方程。
借助QCD的“轻量级”版本[QCD-lite]，取得了巨大的进步。 她仅考虑无质量胶子，上夸克和下夸克，并建议这些夸克本身也是无质量的（即，字面上的“轻量级”）。 用这种近似进行的计算使质子质量仅比测得的质量少10％。
让我们停下来思考一下。 QCD的简化版本，即粒子没有质量的意思，仍然可以提供90％的质子正确质量。 结果令人惊讶。 大部分质子质量来自其构成的夸克和胶子相互作用的能量。
约翰·惠勒（John Wheeler）用“无质量的质量”来形容重力波的叠加效果，这些重力波可以集中并集中能量，从而出现黑洞。 如果发生这种情况，那就意味着黑洞-超重物质的最终表现-不是由一颗坍缩的恒星造成的，而是由时空的波动造成的。 惠勒真正想说的是，这种情况就是利用引力产生黑洞（质量）的一个例子。
但是惠勒的说法很适合我们。 QCD的创建者之一
Frank Wilcek将其用于讨论轻量级QCD计算的结果。 如果质子和中子的大部分质量来自这些粒子内部发生相互作用的能量，那么这实际上就是“无质量的质量”，这意味着我们手头上具有归因于质量的行为，这不需要质量作为属性。 。
听起来很熟悉？ 回想一下，在爱因斯坦1905年关于狭义相对论的著作中硕果累累时，他得到的方程实际上看起来像是m = E / c
2 。 这是一个好主意（不是E = mc
2 ）。 实际上，爱因斯坦曾有预言地写道：“体重是其能量含量的量度” [爱因斯坦，A。物体的惯性是否取决于其能量含量？ Annalen der Physik 18（1905）]。 就是这样 Wilczek在他的《存在的光明》 [Wilczek，F.《存在的光明》，基本书，纽约，纽约（2008年）]一书中写道：
如果人体的质量主要来自其中所含的质子和中子，那么答案现在就变得清晰而最终了。 由于其能量含量高，该物体的惯性精确到95％。
在铀235核的裂变中，质子和中子内部所包含的有色场的部分能量被释放出来，具有潜在的爆炸性后果。 在包括四个质子合成的质子-质子链中，两个上级夸克转换成两个下级夸克，在此过程中形成两个中子，导致释放了其有色场中的多余能量。 质量不会转化为能量。 能量从一种类型的量子场转移到另一种类型。
那我们得到什么呢？ 当然，自古希腊的原子论者在2500年前讨论物质的本质以来，我们已经走了很长一段路。 但是大多数时候我们都相信物质是我们物理世界的基本组成部分。 我们坚信物质中蕴含着能量。 而且，尽管可以将物质简化为微观成分，但长期以来，我们相信它们仍然是物质，并且具有质量等基本质量。
现代物理学教给我们一些完全不同，完全违反直觉的东西。 我们向内心深处铺平了道路-将物质布置到原子中，将原子布置到亚原子粒子中，将亚原子粒子布置到量子场中以及进行相互作用-我们完全看不到物质。 事情失去了联系。 它失去了优越性，而质量已成为无形量子场之间相互作用的结果的次要属性。 我们认为是质量的是这些量子场的行为。 它不是属于它们或必定是固有的。
尽管我们的世界充满了坚硬和沉重的事物，但量子场的能量仍在控制着球。 质量只是该能量的物理表现，反之亦然。
从概念上讲，它看起来令人震惊，但同时却极具吸引力。 宇宙的巨大统一性是量子场的能量，而不是刚性的，不可渗透的原子。 也许这并不是哲学家可以坚持的梦想，但这仍然是一个梦想。
吉姆·巴格特（Jim Baggot）是一位自由记者和作家，曾在化学领域任教，之后在壳牌公司工作，现在担任独立业务顾问和培训师。 他的许多著作中有：创造的科学故事，希格斯：“上帝粒子”的发明与发现，量子历史：40的故事瞬间“ [量子故事：40瞬间的历史]和“现实初学者指南”。
改编自该书的段落：“质量：寻求从希腊原子到量子场的理解物质” [质量：寻求从希腊原子到量子场的物质理解]。