质子|天体物理学家告诉你质子的质量从哪来？
质子的质量从何而来？
整体应该等于部分之和 ， 但是质子不是 。 原因如下 。
整体等于部分之和 。 从星系到行星、到城市、到分子、再到原子 ， 都是如此 。 如果你把任何一个系统的所有组件全都单独拎出来看一看 ， 就能清楚地看到它们是如何结合在一起并构成整个系统的 。 这就是总量等于它所有不同的部分加起来的量 。
可质子并不遵循这样的规则 。
质子由3个夸克组成 ， 但是如果把这3个夸克的质量加起来 ， 你会发现这个数字不但不等于质子的实际质量 ， 而且两者相差甚远 。
那为什么质子不遵循“总数等于部分之和”这个规律呢？这就是巴里·达菲要我们解决的问题——
质子内部发生了什么？为什么它的质量超过了组成它的夸克的质量之和呢？
为了找出答案 ， 我们必须要做一些深层次的了解 。
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图解：人体的组成 ， 事关原子的数量与质量 。 我们身体的整体 ， 等于身体各个部分的总和 ， 直到小到一个很基础的尺度才不是如此 。 在这个尺度上 ， 我们就能发现实际上我们比各部分的组成之和大一些 。
(ED UTHMAN, M.D., VIA WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN (L); WIKIMEDIA COMMONS USER ZHAOCAROL (R))
从我们自己的身上可以得到一个提示——如果把自身细分得越来越小 ， 你就会发现 ， 在质量这方面 ， 整体等于各部分之和 。 你身体的骨骼 ， 脂肪 ， 肌肉和器官加起来就是一个完整的人 。 进一步细分下去 ， 就算到细胞的层次 ， 把各部分质量加起来依然等于你现在的体重 。
细胞可以被分为细胞器 ， 细胞器由单个的分子组成 ， 分子又由原子组成 ， 在各自的层次上 ， 这些整体的质量和部分质量的总和没有区别 。 但是到了原子以下 ， 质子、中子和电子层次的时候 ， 有趣的事情发生了 。 在那个层次 ， 有一个微小但非常明显的差异：单个质子、中子和电子从整个人体中偏离 1％左右 。 这种差异是真实的 。
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图解：从宏观尺度到亚原子 ， 基本粒子的大小在决定复合结构的大小方面起的作用微乎其微 。 构建基块是否真正具有基本面和/或点状粒子仍不得而知 。 (图源：MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM)
与所有已知的生物一样 ， 人类也是碳基生命形式 。 碳原子由六个质子和六个中子组成 ， 但如果你测一下碳原子的质量 ， 它大约比组成它的各个成分的总和轻0.8% 。 罪魁祸首是核约束性能源；当你把原子核结合到一起时 ， 它们的总质量比构成它们的质子和中子的质量之和要小 。
碳是由氢聚变成氦 ， 然后再由氦聚变而来；大多数类型恒星在主序星与红巨星阶段都会通过这种过程释放能量 。 由爱因斯坦的E = mc2可知 ， 这种“质量亏损”是恒星能量的来源 。 当恒星在燃烧时 ， 它们会制造出更加紧密结合的原子核 ， 以辐射的形式释放出能量 。
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图解：在天琴座第二和第三亮的恒星 ， 蓝色巨型恒星谢利亚克和苏拉法特之间 ， 环形星云在夜空中闪耀 。 在恒星生命的所有阶段 ， 包括巨相 ， 核聚变为恒星提供动力 ， 核与核将更加紧密地结合 ， 通过E = mc2将质量转化为能量的辐射所发射的能量将更加紧密 。 (图源：NASA, ESA, DIGITIZED SKY SURVEY 2)
大多数类型的结合能的工作原理是这样的：将结合在一起的东西拆开时会遇到困难 ， 原因是因为它们在被连接在一起时释放出了能量 ， 而你必须把这部分能量重新归还给它们 ， 才能将它们拆开 。
看一看构成质子的粒子——它们核心的两个上夸克和一个下夸克——它们的组合质量只有质子整体质量的0.2% ， 结合能就是产生这么一个令人费解的事实的原因 。
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