现在我们知道，原子是由三个粒子组成的-——质子、中子和电子，甚至还可以将它们分为更小的粒子，如夸克

质子和中子比电子重，它们位于原子的中心，电子非常轻，存在于环绕原子核的云中，电子云的半径约是原子核的10000倍

质子和中子的质量大致相同，然而，一个质子重量超过1800个电子的重量，质子和中子的数量通常是相同的

那么质子的质量是从何而来呢？

是时候打破常规了

整体等于其组成部分之和，这在我们生活的世界中一次一次的得到过验证，无论是从星系到行星，再到城市，还是从分子到原子，如果将任何系统的所有组成部分单独查看，就可以清楚地看到它们是如何组合在一起以构成整个系统的，不会多也不会少，其所拥有的总量等于它所有不同部分加在一起的总量

但是质子为什么就不是这样呢？它是由三个夸克组成的，质子的三价夸克对其自旋有贡献，但胶子、海夸克和反夸克以及轨道角动量也有贡献，静电斥力和强相互作用的核力共同决定了质子的大小，夸克混合的特性是解释我们宇宙中自由粒子和复合粒子的集合所必需的

但是如果你把夸克质量加起来，它们不仅不等于质子的质量，甚至它们都不会接近质子质量的数值

质子内部发生了什么？为什么它的质量远远的超过它的组成夸克和胶子的质量的总和？

为了找到答案，我们必须深入了解内部情况

首先，我们先拿人体作为例子，如果你把自己划分成越来越小的部分，你会发现就质量而言，整体等于其各部分的总和没有任何问题，因为你身体的骨头、脂肪、肌肉和器官合起来就是一个完整的人

然后我们把它们进一步分解成细胞，在细胞层面，你仍然可以把它们加起来，结果不会发生变化，部分相加等于整体质量，因为细胞可以分为细胞器，细胞器由单个分子组成，分子由原子组成；在每个阶段，整体的质量与其部分的质量的关系仍然为相加，没有区别

但是当你将原子分解成质子、中子和电子时，会发生一些有趣的事情，在这个层面上，存在一个微小但明显的差异：质量上质子、中子和电子会与整个人体偏离1％左右

以原子序数和质量表示的人体组成，我们的整个身体等于它各部分的总和，直到你达到一个极其基本的层面，在这一点上，我们可以看到我们实际上不仅仅是组成部分的总和

从宏观尺度到亚原子尺度，基本粒子的尺寸在决定复合结构的尺寸方面只起到很小的作用，真正的基本粒子或点状粒子是否由基础构建块来解释仍然是未知的

像所有已知的生物体一样，人类也是碳基生命形式，碳原子由六个质子、六个中子和六个核外电子组成，但是如果你看一个碳原子的质量，它比组成它的单个组分粒子的总和要轻大约0.8%，这里的原因就是核结合能；当原子核结合在一起时，它们的总质量小于组成它们的质子和中子的质量

碳的形成方式是通过氢核聚变成氦，然后氦核聚变成碳，释放的能量是大多数恒星在正常和红巨星阶段的能量来源，根据爱因斯坦的E=mc^2，“质量损失”就是能量驱动恒星的来源，当恒星燃烧它们的燃料时，它们会产生更紧密的原子核，以辐射的形式释放能量差异

这就是大多数结合能的工作原理：你很难将多个结合在一起的东西分开的原因是它们在结合时释放了能量，你在再次释放它们的时候必须补充这部分能量，这就是为什么组成质子的粒子——位于中心的两个上夸克和一个下夸克——它们的组合质量仅仅是整个质子质量的0.2%，这是一个令人费解的事实，但这个难题有一个解决办法

如何解决

夸克结合成质子的方式与我们所知道的所有其他力和相互作用都有根本的不同，一般情况下当两个物体靠近时，相互作用也会越来越强，如引力、电场力或磁场力，而关于夸克，理论认为，夸克之间的相互作用力随着夸克之间的距离增加而增大

就是说，如果夸克之间的距离非常近，夸克之间的相互作用力非常小，每个夸克处在几乎“自由”状态，反之，夸克之间的相互作用力非常大，夸克之间的相互作用力与夸克之间的距离成正比

而对质子内部夸克之间所表现出来的一种力的相互作用关系的描述，我们称之为“渐近自由”，而介导这种相互作用力的粒子被称为胶子，另将质子结合在一起的能量(占质子质量的99.8%)来自这些胶子，不知何故，整个物质的重量远远超过其各部分的总和

起初这听起来似乎是不可能的，因为胶子本身是无质量的粒子，但是你可以把它们产生的力想象成弹簧：当弹簧未拉伸时，力会逐渐变为零，但拉伸量越大，力就会变大，事实上，距离过大的两个夸克之间的能量会变得非常巨大，就像质子中存在额外的夸克/反夸克对：海夸克

那些熟悉量子场论的人可能会认为胶子和海夸克只是虚拟粒子：它们只是用来得到正确结果的计算工具，但这种看法应该要改变，因为现在已经证明了两个质子或者一个质子和另一个粒子，比如电子或者光子之间的高能碰撞

在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上进行的对撞也许是对质子内部结构的最大考验，当两个质子在这些超高能量下碰撞时，它们中的大多数只是彼此经过，没有相互作用，但是当两个内部的、点状的粒子碰撞时，我们可以通过观察出来的碎片，精确地重建被粉碎的东西

不到10%的碰撞发生在两个夸克之间；绝大多数是胶子-胶子碰撞，剩余的部分由夸克-胶子碰撞组成，此外，并非每一个夸克-夸克质子碰撞都发生在上夸克或下夸克之间；有时会涉及到一个更重的夸克

这些实验给我们一些重要的启示：我们用来模拟质子内部结构的粒子是真实的，事实上，希格斯玻色子本身的发现仅仅是因为这一点，因为希格斯玻色子的产生主要是由LHC中的胶子-胶子碰撞造成的，如果我们只需要依赖三个价夸克，我们就会看到希格斯粒子的产生率与我们所看到的不同

不过仍然还有很多东西需要搞清楚，现在有一个质子内平均胶子密度的固体模型，但是如果我们想知道胶子实际上更可能位于哪里，那就需要更多的实验数据，以及更好的模型来比较数据

这种新的理论模型和不断改进的LHC数据的结合将使科学家更好地了解质子、中子和原子核的内部基本结构，从而了解宇宙中已知物体的质量来自哪里

结论

目前解决问题的方法是使用称为Lattice QCD的技术

通过将空间和时间视为一个网格（或点的网格）而不是一个连续体，其中网格任意大，间距任意小，而在标准的微扰QCD中，空间的连续性意味着你失去了计算小距离处相互作用强度的能力，晶格方法意味着在晶格间距的大小上有一个截止点，夸克存在于网格线的交叉点，胶子存在于连接网格点的链环上

随着计算能力的增加，可以减小晶格间距，从而提高计算精度，在过去的三十年里，这项技术也引发了可靠预测的井喷，包括特定温度和能量条件下的轻核质量和聚变反应速率，根据第一性原理，质子的质量现在可以从理论上预测到2%以内

另外，单个夸克的质量是由它们与希格斯玻色子的耦合决定的，它甚至占不到质子质量的1%，更确切地说，是由夸克和介导它们的胶子之间的强相互作用力才是质子质量的来源

强大的核力是整个已知宇宙中最强大的相互作用，夸克可能是点状的，但相比之下，质子是巨大的：直径8.4×10^-16m，限制它的组成粒子也就是强大力量的结合能，是占质子质量99.8%的原因