Y你坐在这里，读这篇文章。它可能是一份硬拷贝，或者是平板电脑或电子阅读器上的电子书。没关系。不管你在看什么，我们都可以肯定它是由某种材料制成的:纸、卡片、塑料，也许还包含印刷电路板上的微小金属电子物质。不管它是什么，我们称之为物质或物质物质。它有一种我们称之为固态的特性。它有质量。
但不管是什么，是什么呢？想象的冰立方体，测量一点点长度超过1英寸（2.7厘米）。想象一下，拿着冰立方这在你的手掌。这是感冒了，有点滑。它的重量都算不上什么，但我们知道它的重量某物．
让我们的问题更集中一点。这块冰是用什么做的?还有一个重要的次要问题:是什么造成了它的质量?
要了解冰的多维数据集，我们需要利用化学家获得的学习。建立由炼金术师建立的漫长传统，这些科学家区分了不同的化学元素，如氢气，碳和氧气。研究这些要素的相对重量和致命气体的相对重量LED John Dalton和Louis Gay-Lussac的结论结论是，不同的化学元素由具有不同权重的原子组成，这些元素根据一组涉及整数原子的规则组成。
当人们意识到氢和氧都是双原子气体H2和o.2．水是由两个氢原子和一个氧原子组成的化合物2O.
这部分回答了我们的第一个问题。我们的立方冰由H分子组成2Ø组织规则阵列。我们也可以在我们的第二个问题是一个开始。阿伏伽德罗定律指出，化学物质的摩尔将包含约6×1023离散的“颗粒”。现在，我们可以简称为其分子量缩小到克数量的摩尔物质。氢气（以h的形式2)的相对分子质量为2，这意味着每个氢原子的相对原子质量为1。氧气(O2）具有32的相对分子量，暗示每种氧原子具有16.水的相对原子重量（H.2因此O）具有2×1 + 16 = 18的相对分子量。
关于质子和中子的质量的99％似乎是下落不明。
我们立方的冰大约重18克，这意味着它相当于一摩尔水，或多或少。根据阿伏伽德罗定律，它必须包含6 × 1023分子H2这似乎为我们的第二个问题提供了一个明确的答案。立方体冰的质量来自6 × 10的氢原子和氧原子的质量23分子H2O.
当然，我们还可以更进一步。在20世纪早期，我们从j·j·汤姆森、欧内斯特·卢瑟福、尼尔斯·玻尔和许多其他物理学家那里了解到，所有的原子都是由一个沉重的中心核组成，周围环绕着轻的轨道电子。我们后来了解到中心核是由质子和中子组成的。原子核中的质子数决定了元素的化学性质:一个氢原子有一个质子，一个氧原子有八个(这被称为原子数)。但原子核的总质量或重量是由原子核中质子和中子的总数决定的。
氢仍然只有一个(它的原子核由一个质子组成，没有中子)。氧最常见的同位素——猜猜是什么?-16(8个质子和8个中子)这显然不是巧合，这些质子和中子计数与我上面引用的相对原子量相同。
如果我们忽略轻电子，那么我们可能会认为立方体冰的质量存在于其氢原子和氧原子的原子核中的所有质子和中子中。每个H分子2O贡献10个质子和8个中子，所以如果有6 × 1023如果忽略质子和中子之间的微小质量差异，我们可以得出这个立方体的分子总数是这个数字的18倍，也就是108 × 1023质子和中子。
到目前为止，一切顺利。但我们还没有完成。我们现在知道质子和中子不是基本粒子。它们由夸克组成。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。在这些较大的粒子内部，把夸克结合在一起的色力是由无质量胶子携带的。
好吧，那我们就继续吧。如果我们再次近似上下夸克的质量，我们只要乘以3，就变成108 × 1023质子和中子变成324 × 1023上下夸克。我们得出这样的结论:这是所有质量所在的地方。是吗?
裸夸克非常尴尬，它很快就用胶子覆盖了自己。
不。这就是我们的naïve原子先入之见被揭示的地方。我们可以在粒子数据组的网站上查找上下夸克的质量。上下夸克非常轻，它们的质量无法精确测量，只能引用范围。以下均以MeV/为单位进行报告c2．在这些单位中，上夸克的质量为2.3，范围从1.8到3.0。下夸克稍微重一点，4.8，范围从4.5到5.3。将它们与电子的质量进行比较，电子的质量在相同单位下约为0.51。
现在，令人震惊的是。以相同的MeV/为单位c2质子质量为938.3，中子939.6。两个上夸克和一个下夸克的结合，使我们只有9.4，或质子质量的只是1％。两个下夸克和一个上夸克组合使我们仅为11.9，或中子质量的只是1.3％。关于质子和中子的质量的99％似乎是下落不明。是什么出了问题？
要回答这个问题，我们需要认识到我们正在处理的内容。夸克不是自然的“粒子”，即希腊语或机械哲学家可能已经想象的那种。它们是量子波粒子;基本振动或基本量子田的波动。向上和向下夸克的比电子更重大几次，我们已经证明了在无数实验室实验中的电子的波粒子性质。我们需要为一些奇怪的，如果不是彻头彻尾的奇异行为。
我们不要忘了无质量胶子。或者狭义相对论E＝马克2．或“裸”和“穿着”质量之间的区别。而且，最后但并非最不重要的是，让我们不要忘记HIGGS字段在所有基本粒子的质量的“原点”中的作用。试图了解在质子或中子内部的发生进展，我们需要达到量子色动力学，夸克之间的色力的量子场理论。
夸克和胶子拥有色彩“充电”。只是这是什么，到底是什么？我们没有真正了解方式。我们知道，颜色是夸克和胶子的一个属性，有三种类型，物理学家都选择呼叫红色，绿色和蓝色。但是，正如从来没有人“看到”一个孤立的夸克胶子或者，这样的定义没有人或多或少已经见过裸色荷。事实上，量子色动力学（QCD）建议，如果色荷可能会暴露这样它会接近无限能量。亚里士多德的格言是：“大自然讨厌真空”。今天，我们可以说：“自然界里是裸色的费用。”
因此，如果我们能以某种方式创建一个裸色荷的分离夸克会发生什么？它的能量会去向上穿过屋顶，足够多的召唤虚拟胶子出的“空白”空间。只是作为电子通过自身自产生的电磁场褶裥移动虚拟光子的覆盖，所以露出的夸克褶裥虚拟胶子的覆盖物。不像光子，胶子本身携带色荷，他们能够通过降低能源，部分地掩盖露出色荷。想想这样说：裸夸克敏锐地尴尬，并迅速礼服本身与胶子的覆盖。
然而，这还不够。能量足够高，不能仅产生虚拟颗粒（如一种背景噪音或嘶嘶声），而是粒子颗粒。在争夺覆盖暴露的颜色电荷中，产生抗夸克，其与裸锯成对形成偏振片。夸克永远不会 - 但是从来没有-在没有监护人的情况下。
但是这个仍然不这样做。为了完全覆盖色电荷，我们需要把反夸克和夸克在完全相同的时间放在完全相同的位置。海森堡的测不准原理不会让自然界以这种方式束缚夸克和反夸克。记住，一个精确的位置意味着无限的动量，一个精确的能量随时间变化率意味着无限的能量。大自然别无选择，只能做出妥协。它不能完全覆盖色电荷但它可以用反夸克和虚胶子来掩盖它。能量至少降低到一个可控制的水平。
当我们向内工作时，我们完全看不到物质。物质失去其有形。
质子和中子内部也会发生这种情况。在它们的宿主粒子的范围内，这三个夸克相对自由地摇摆。但是，同样地，它们的色电荷必须被覆盖，或者至少暴露电荷的能量必须被降低。每个夸克都会产生大量的虚拟胶子，这些胶子与夸克-反夸克对一起在夸克之间来回传递。物理学家有时把组成质子或中子的三个夸克称为“价”夸克，因为这些粒子内部有足够的能量，可以形成更多的夸克-反夸克对。价夸克并不是这些粒子中唯一的夸克。
这意味着质子和中子的质量很大程度上可以追溯到能源胶子和由颜色场召唤出来的夸克-反夸克对的海洋。
我们是怎么知道的?必须承认，使用QCD进行计算实际上是相当困难的。色力非常强，相应的色力相互作用的能量也非常高。记住胶子也携带色电荷，所以所有物质都相互作用。事实上，任何事情都可能发生，要跟踪所有可能的虚粒子和基本粒子排列是非常困难的。
这意味着，虽然QCD方程可以以一种相对直接的方式写下来，但它们不能在纸上解析求解。同样，在QED中成功运用的数学技巧也不再适用——因为相互作用的能量如此之高，我们无法应用重整化技术。物理学家别无选择，只能在电脑上解这些方程。
用版本QCD的取得了长足的进步称为“QCD-精简版。”该版本只考虑无质量胶子和上，下夸克，并进一步假设，夸克本身也无质量（所以，从字面上看，“精简版”）。基于这些近似值计算得到被发现为比测量值打火机只是10％的质子质量。
让我们停下来思考一下。在QCD的简化版中，我们假设开始时没有粒子有质量，但它预测质子的质量是90%正确的。结论相当令人吃惊。质子的大部分质量来自于能源夸克和胶子之间的相互作用。
John Wheeler使用了短语“质量没有质量”来描述可以集中和定位能量的重力波的叠加的影响，使得形成黑洞。如果发生这种情况，这将意味着黑洞 - 超高密度物质的最终表现 - 没有从折叠之星的物质中创造，而是从时空的波动。轮班真的是什么意思，这将是一种从引力能量创造黑洞（质量）的情况。
但惠勒的话在这里更合适。Frank Wilczek是QCD的架构师之一，他在讨论精简QCD计算结果时使用了这个方法。如果质子和中子的大部分质量来自这些粒子内部发生的相互作用的能量，那么这确实是“无质量的质量”，这意味着我们得到行为我们倾向于把质量归为，而不需要把质量作为财产．
这听起来很熟悉吗？回想一下，在爱因斯坦的开创性增编1905年一份关于狭义相对论，他得出的方程式其实是米＝E/c2．这是一个伟大的见解(不E＝马克2）。当他写的时候，爱因斯坦当前是持有的：“身体的质量是其能量内容的衡量标准。”1事实上,它是。在他的书中生命之轻, Wilczek写道:2
如果身体是人体，其质量绝对优势源于它含有的质子和中子，答案是明确的，现在的和决定性的。该机构的惯性，有95％的准确率，是它的能量含量。
在U-235核的裂变中，释放其质子和中子内部颜色场的一些能量，具有潜在的爆炸性后果。在涉及四个质子的融合的质子 - 质子链中，将两个向上夸克的转化为两个下降夸克，在该过程中形成两个中子，导致从其颜色的田地释放出少量的过量能量。质量不转换为能量。相反，能量从一种量子场传递给另一个量子场。
我们该怎么办呢?自2500年前古希腊原子主义者对物质本质的推测以来，我们已经走了很长一段路。但在这段时间里，我们一直坚信物质是我们物质宇宙的基本组成部分。我们已经确信物质是有能量的。而且，虽然物质可以被简化为微观成分，但在很长一段时间里，我们相信这些仍然可以被识别为物质——它们仍然具有质量的基本性质。
现代物理学告诉我们的东西完全不同，并深深反直觉。由于我们的工作我们的方式不断向内事成原子，原子成亚原子粒子，亚原子粒子对量子场和力量，我们失去了的事完全看不见了。物质失去其有形。作为物料变成次要的品质，无形的量子场之间相互作用的结果，它失去了它的主导地位。我们认识到作为大众什么是这些量子场的行为;它不属于或必然的内在它们的属性。
尽管我们的物质世界充满了又硬又重的东西，它是代替能源占据统治地位的量子场质量只是能量的一种物理表现，而不是相反。
这在概念上相当令人震惊，但同时也非常吸引人。宇宙最大的统一特征是量子场的能量，而不是坚硬、不可穿透的原子。也许这并不是哲学家们一直坚持的梦想，但它仍然是一个梦想。
吉姆·巴戈特是一名自由科学作家。他曾是雷丁大学(University of Reading)的一名化学讲师，后来跳槽到壳牌国际石油公司(Shell International Petroleum Company)工作，后来成为一名独立的商业顾问和培训师。他的许多著作包括《起源:创世的科学故事》，《希格斯:上帝粒子的发明和发现》，《量子故事:40瞬间的历史》，和入门指南的现实。
改编自《质量》:探索从希腊原子到量子场的物质由吉姆Baggott女士。版权所有©2017由Jim Baggott出版，牛津大学出版社出版。保留所有权利。
参考文献
1.一个物体的惯性取决于它的能量含量吗?尤其是物理学18（1905）。
2.Wilczek F。生命之轻Basic Books，纽约，纽约(2008)。
Photocollage学分:Physicsworld.com;Thatree thitiongvaroon / Getty Images
