現在我們知道，原子是由三個粒子組成的-——質子、中子和電子，甚至還可以將它們分為更小的粒子，如夸克

質子和中子比電子重，它們位於原子的中心，電子非常輕，存在於環繞原子核的雲中，電子云的半徑約是原子核的10000倍

質子和中子的質量大致相同，然而，一個質子重量超過1800個電子的重量，質子和中子的數量通常是相同的

那麼質子的質量是從何而來呢？

是時候打破常規了

整體等於其組成部分之和，這在我們生活的世界中一次一次的得到過驗證，無論是從星繫到行星，再到城市，還是從分子到原子，如果將任何系統的所有組成部分單獨查看，就可以清楚地看到它們是如何組合在一起以構成整個系統的，不會多也不會少，其所擁有的總量等於它所有不同部分加在一起的總量

但是質子為什麼就不是這樣呢？它是由三個夸克組成的，質子的三價夸克對其自旋有貢獻，但膠子、海夸克和反夸克以及軌道角動量也有貢獻，靜電斥力和強相互作用的核力共同決定了質子的大小，夸克混合的特性是解釋我們宇宙中自由粒子和復合粒子的集合所必需的

但是如果你把夸克質量加起來，它們不僅不等於質子的質量，甚至它們都不會接近質子質量的數值

質子內部發生了什麼？為什麼它的質量遠遠的超過它的組成夸克和膠子的質量的總和？

為了找到答案，我們必須深入了解內部情況

首先，我們先拿人體作為例子，如果你把自己劃分成越來越小的部分，你會發現就質量而言，整體等於其各部分的總和沒有任何問題，因為你身體的骨頭、脂肪、肌肉和器官合起來就是一個完整的人

然後我們把它們進一步分解成細胞，在細胞層面，你仍然可以把它們加起來，結果不會發生變化，部分相加等於整體質量，因為細胞可以分為細胞器，細胞器由單個分子組成，分子由原子組成；在每個階段，整體的質量與其部分的質量的關係仍然為相加，沒有區別

但是當你將原子分解成質子、中子和電子時，會發生一些有趣的事情，在這個層面上，存在一個微小但明顯的差異：質量上質子、中子和電子會與整個人體偏離1％左右

以原子序數和質量表示的人體組成，我們的整個身體等於它各部分的總和，直到你達到一個極其基本的層面，在這一點上，我們可以看到我們實際上不僅僅是組成部分的總和

從宏觀尺度到亞原子尺度，基本粒子的尺寸在決定復合結構的尺寸方面只起到很小的作用，真正的基本粒子或點狀粒子是否由基礎構建塊來解釋仍然是未知的

像所有已知的生物體一樣，人類也是碳基生命形式，碳原子由六個質子、六個中子和六個核外電子組成，但是如果你看一個碳原子的質量，它比組成它的單個組分粒子的總和要輕大約0.8%，這裡的原因就是核結合能；當原子核結合在一起時，它們的總質量小於組成它們的質子和中子的質量

碳的形成方式是通過氫核聚變成氦，然後氦核聚變成碳，釋放的能量是大多數恆星在正常和紅巨星階段的能量來源，根據愛因斯坦的E=mc^2，「質量損失」就是能量驅動恆星的來源，當恆星燃燒它們的燃料時，它們會產生更緊密的原子核，以輻射的形式釋放能量差異

這就是大多數結合能的工作原理：你很難將多個結合在一起的東西分開的原因是它們在結合時釋放了能量，你在再次釋放它們的時候必須補充這部分能量，這就是為什麼組成質子的粒子——位於中心的兩個上夸克和一個下夸克——它們的組合質量僅僅是整個質子質量的0.2%，這是一個令人費解的事實，但這個難題有一個解決辦法

如何解決

夸克結合成質子的方式與我們所知道的所有其他力和相互作用都有根本的不同，一般情況下當兩個物體靠近時，相互作用也會越來越強，如引力、電場力或磁場力，而關於夸克，理論認為，夸克之間的相互作用力隨著夸克之間的距離增加而增大

就是說，如果夸克之間的距離非常近，夸克之間的相互作用力非常小，每個夸克處在幾乎「自由」狀態，反之，夸克之間的相互作用力非常大，夸克之間的相互作用力與夸克之間的距離成正比

而對質子內部夸克之間所表現出來的一種力的相互作用關係的描述，我們稱之為「漸近自由」，而介導這種相互作用力的粒子被稱為膠子，另將質子結合在一起的能量(占質子質量的99.8%)來自這些膠子，不知何故，整個物質的重量遠遠超過其各部分的總和

起初這聽起來似乎是不可能的，因為膠子本身是無質量的粒子，但是你可以把它們產生的力想像成彈簧：當彈簧未拉伸時，力會逐漸變為零，但拉伸量越大，力就會變大，事實上，距離過大的兩個夸克之間的能量會變得非常巨大，就像質子中存在額外的夸克/反夸克對：海夸克

那些熟悉量子場論的人可能會認為膠子和海夸克只是虛擬粒子：它們只是用來得到正確結果的計算工具，但這種看法應該要改變，因為現在已經證明了兩個質子或者一個質子和另一個粒子，比如電子或者光子之間的高能碰撞

在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上進行的對撞也許是對質子內部結構的最大考驗，當兩個質子在這些超高能量下碰撞時，它們中的大多數只是彼此經過，沒有相互作用，但是當兩個內部的、點狀的粒子碰撞時，我們可以通過觀察出來的碎片，精確地重建被粉碎的東西

不到10%的碰撞發生在兩個夸克之間；絕大多數是膠子-膠子碰撞，剩餘的部分由夸克-膠子碰撞組成，此外，並非每一個夸克-夸克質子碰撞都發生在上夸克或下夸克之間；有時會涉及到一個更重的夸克

這些實驗給我們一些重要的啟示：我們用來模擬質子內部結構的粒子是真實的，事實上，希格斯玻色子本身的發現僅僅是因為這一點，因為希格斯玻色子的產生主要是由LHC中的膠子-膠子碰撞造成的，如果我們只需要依賴三個價夸克，我們就會看到希格斯粒子的產生率與我們所看到的不同

不過仍然還有很多東西需要搞清楚，現在有一個質子內平均膠子密度的固體模型，但是如果我們想知道膠子實際上更可能位於哪裡，那就需要更多的實驗數據，以及更好的模型來比較數據

這種新的理論模型和不斷改進的LHC數據的結合將使科學家更好地了解質子、中子和原子核的內部基本結構，從而了解宇宙中已知物體的質量來自哪裡

結論

目前解決問題的方法是使用稱為Lattice QCD的技術

通過將空間和時間視為一個網格（或點的網格）而不是一個連續體，其中網格任意大，間距任意小，而在標準的微擾QCD中，空間的連續性意味著你失去了計算小距離處相互作用強度的能力，晶格方法意味著在晶格間距的大小上有一個截止點，夸克存在於網格線的交叉點，膠子存在於連接網格點的鏈環上

隨著計算能力的增加，可以減小晶格間距，從而提高計算精度，在過去的三十年里，這項技術也引發了可靠預測的井噴，包括特定溫度和能量條件下的輕核質量和聚變反應速率，根據第一性原理，質子的質量現在可以從理論上預測到2%以內

另外，單個夸克的質量是由它們與希格斯玻色子的耦合決定的，它甚至占不到質子質量的1%，更確切地說，是由夸克和介導它們的膠子之間的強相互作用力才是質子質量的來源

強大的核力是整個已知宇宙中最強大的相互作用，夸克可能是點狀的，但相比之下，質子是巨大的：直徑8.4×10^-16m，限制它的組成粒子也就是強大力量的結合能，是占質子質量99.8%的原因