带电荷的粒子通过交换无质量的光子来传递电磁力 。 类似地 ， 带色荷的夸克通过交换某种基本粒子来传递强核力 ， 并束缚在一起 ， 形成质子和中子 。 这种基本粒子叫做胶子 ， 它也没有质量 ， 不过具有很大的能量 。 根据爱因斯坦的质能等价原理 ， 即E=mc2 ， 这种能量可以转换为一大堆夸克和反夸克对 。 所以说在质子和中子内部 ， 除了3种正常的夸克以外 ， 还有很多个夸克和反夸克对 。 根据量子力学的不确定性原理 ， 这些额外的夸克对会不停地产生并消失 。 这些夸克对以及它们之间的胶子一起构成了夸克泡沫 。 物理学家认为 ， 在夸克泡沫内 ， 夸克、反夸克和胶子之间的相互作用和运动时所含的能量 ， 是质子和中子的大部分质量的来源 。
在核子内部划格子
为了计算出夸克泡沫究竟能提供多少质量 ， 在过去的40多年里 ， 物理学家发明了一种新的技术来研究它 ， 叫做格点量子色动力学 。 这种技术类似于气象学家常使用的办法：气象学家常把地球的大气划分为一系列边长为几千米的3维的格子 ， 来研究大气复杂的运动 。 同样 ， 格点量子色动力学是把核子内部划分为一系列很小的格子 。 这种小格子的顶点是由夸克组成 ， 格子的边由胶子的路径形成 。 计算出所有格子边上的作用力 ， 以及作用力如何随着时间变化的 ， 综合起来 ， 这样你就知道整个核子是什么样的 。
但问题是 ， 夸克泡沫内作用力的数量太多了 ， 需要大量的计算 。 而且 ， 因为量子物理不会提供确定的结果 ， 所以你得至少把上千种不同的情况都算一遍 ， 来得到一个“平均”的结果 。 所以说 ， 这种计算人是做不了的 ， 我们得求助于计算机 。
德国伍珀塔尔大学的物理学家佐尔坦·福多尔和他的同事利用IBM的“蓝色基因”超级计算机等设备进行了计算 。 2008年 ， 他们终于得到了结果：质子或中子的质量为936MeV ， 误差为±25MeV 。 这说明 ， 夸克泡沫内的能量构成了质子和中子大部分的质量 。 尽管你感觉自己是个实体 ， 但事实上99%的你只是能量 。
但是 ， 上面的这个计算很不精确 ， 不足以算出质子和中子之间的质量差 。 另外 ， 他们的计算还有着一个很明显的遗漏：来自电荷的效应 。 核子内所有短暂出现的夸克和反夸克都带有电荷 ， 这样会使它们具有额外的能量 ， 自然会产生额外的质量 。 如果不把这种效应算进去 ， 那么一切都白费力 。
因此 ， 要想去解释质子和中子之间的质量差 ， 除了需要量子色动力学以外 ， 还需要量子电动力学 ， 即解释粒子之间电磁力的理论 。 但是 ， 这给物理学家出了个大难题 。 因为 ， 要把量子电动力学和量子色动力学融为一个框架内十分困难 ， 有时还会在计算中产生无穷大的结果 。 不过 ， 福多尔和他的同事不断地努力 ， 把每个出问题的计算都解决掉了 ， 最终在2015年 ， 他们成功地计算出了质子和中子之间的质量差 。 尽管得到的结果误差为±20% ， 但他们所采用的计算方法却是粒子物理学研究中的一个里程碑 。
从原子时代进入夸克时代
福多尔等人的研究 ， 除了解释了这个关系到我们自身存在的质量差以外 ， 也表明我们已经有能力去计算核子内部是如何运作的 。 这样 ， 我们可以解决以前无法解决的许多物理学问题 。
例如 ， 超新星的爆发是产生更重的化学元素的关键来源 ， 在过去无法计算化学元素的产生过程 。 不过现在 ， 利用福多尔的计算方法 ， 物理学家将有能力去计算这个问题 。 另外 ， 这种计算方法还可以帮助我们解决物理学中许多悬而未决的基本问题：为什么大爆炸之后剩下的是物质 ， 而不是产生等量的物质和反物质？为什么质子和电子极为不同 ， 但是却具有等量的电荷？如果有了新的理论 ， 物理学家就可以套用福多尔的计算方法去进行验证 。
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