本文將討論組成原子核的最主要粒子——質子與中子，它們的質量究竟是從哪裡來的。

重子的質量之謎

初中生基本都學過，構成物質的最小單位是原子，原子是由原子核與核外電子組成，原子核裡通常都有質子和中子（氫的核素氕除外，它的原子核就是一個質子）。等到進一步學習物理，就會了解到，質子和中子被稱為重子，它們還可以再分，重子通常由三個夸克結合而成，夸克才是基本粒子。

質子與中子都由夸克構成，連接夸克的是無質量膠子

問題隨之出現：我們知道質子的質量為938.272MeV/c²（約1.6726×10⁻²⁷kg）、中子的質量為939.565MeV/c²（約1.6749×10⁻²⁷kg），但組成它們的夸克質量卻與之相差甚遠。質子由兩個上夸克與一個下夸克組成，這三個價夸克的靜止質量之和約為9.4MeV/ c²；中子由一個上夸克與兩個下夸克組成，其價夸克靜止質量之和也只有11.9MeV/c²，這意味著組成重子的夸克質量僅約佔重子質量的1%！

夸克與質子的質量對比

根據量子力學理論，夸克是不能互相吸引的，它們必須靠一種叫做膠子的粒子提供強力將其粘合在一起，膠子是規範玻色子，它的質量為0，也就是說膠子本身的質量對重子的質量並沒有貢獻。

質子和中子99%的質量從哪裡來？

膠子是規範玻色子，其質量為0

膠子的能量

雖然膠子無質量，但它們仍然具有能量——顏色動力學結合能（QCBE）。它們類似於光子，光子也是帶有能量的無質量粒子——光子能量。

QCBE是一種強核力，這也是宇宙中最強大的力量，它比已知的電磁力、弱相互作用力和萬有引力都要強大得多，因此QCBE又被稱為強力。在1飛米（10⁻¹⁵米）的範圍內，強力大約是電磁力的137倍，是弱相互作用力的百萬倍，是萬有引力的10³⁸倍。因此它足以克服夸克之間相互排斥的力量，將其粘合在一起。量子力學理論認為，普通質子或中子的大部分質量是強力場能量作用的結果。

在重子中有三種不同顏色電荷（色荷）的夸克，它們分別是紅、綠和藍色色荷，與之相對應，膠子也擁有色荷，當膠子通過強力將這三種顏色的夸克拉到一起，它們對外顯示的就是白色，也就是重子的色荷呈中性。在現代粒子物理學中，這被稱為規範對稱。

實驗證據表明，夸克的直徑小於10⁻¹⁹米，這大約是質子尺寸的10⁻⁴倍，也就是說，質子中的三個夸克相當於泡在質子的一大鍋“湯”裡，這一鍋湯就是由膠子強力形成的粒子場。

質能轉換

理論上夸克不能單獨存在，它必然與另一個或幾個夸克相結合使得總色荷為白色，而結合這些夸克的又必然是膠子，這被稱為夸克禁錮。所以到目前為止科學家找不到單獨的夸克，也找不到獨立出來的膠子。膠子與夸克如影隨形，相伴終生，也為這個物質世界的存在打下了基礎。

那麼膠子的粒子場到底是如何轉化為質量的呢？這需要從愛因斯坦的狹義相對論裡找到解釋。

愛因斯坦

膠子本身是質量為零的矢量玻色子，它通過與夸克的結合構建起強大的力場，在這個粒子場裡充滿了能量。

根據狹義相對論的質能方程：E=MC²，當光速一定時，物質的能量與其質量呈正相關關係。因此膠子場強大色動力學結合能（QCBE）在重子的閉合系統中就體現為重子的不變質量。

由於我們無法在強子之外觀察到單獨存在的膠子，同時量子色動力學的數學複雜性和強子的結構有些混亂，到目前為止沒有公式可以計算強子內部到底存在多少膠子，也無法計算單個膠子所攜帶的能量，這些問題依然有待物理學家們繼續探索和解答。

是否存在其它的可能？

質子中99%的質量有可能是由希格斯玻色子產生的量子激發希格斯場帶來的嗎？科學家們已經發現了希格斯玻色子，並且證明了它的能量場可以為基本粒子提供質量。希格斯場是產生夸克和帶電輕子質量的關鍵(通過湯川耦合)，通過希格斯機制，W和Z規範玻色子也可以獲得質量。但

希格斯場可以為一些基本粒子提供質量

在重子中，除了發揮強相互作用的膠子外，是否存在某一種暗物質為重子提供了99%的質量呢？物理學認為，暗物質粒子是一種弱相互作用的大質量粒子，它充斥於整個宇宙空間，通過重力與其它粒子相互作用。暗物質佔據宇宙大約85%的質量，因為它不與可觀察到的電磁輻射（例如光）相互作用，我們使用現有的儀器無法檢測到它。

如果未來某一天科學家們發現質子和中子裡確實存在這樣的暗物質粒子，並且恰恰是它們為重子提供了大部分的質量，請不要覺得奇怪。因為科學一直在發展，人類總會不斷在探索中發現新的東西，從而完善已有的理論，甚至創造出新的理論。

暗物質質量提供的額外引力將星系集合在了一起

總結：

質子和中子各由三個不同色荷的夸克組成，這些夸克由膠子通過強相互作用力粘合在一起，目前已知夸克與膠子就是重子的全部。

三個夸克的質量相加僅佔重子質量的1%，而提供強力的膠子本身的質量為0，多出來99%的重子質量從哪裡來？狹義相對論認為這巨大的質量來自於膠子場強大的能量，能量等效於質量。

儘管科學家們排除了希格斯場在膠子質量上發揮了作用，但對暗物質粒子的研究尚未有進展。也許未來某一天，我們會發現質子中除了夸克和膠子，還有另外一些暗粒子才是其質量的主要提供者。這並不代表狹義相對論被推翻，因為質能方程還沒有準確計算出膠子場的強度以及它確實為重子提供了多少質量。