Question

质子带正电，为啥质子可以结合在一起形成原子核？而不会互相排斥

Answer 1

在大尺度上，我们所能看到的宇宙是由行星、恒星、星系这样的物质组成；在微观尺度上，物质又是由原子核和电子，以及原子核的成分，光子和其他任何可能存在的基本粒子组成。 而且我们都知道质子带正电，那为什么两个（或更多）质子可以结合在一起，而不会互相排斥？

如果宇宙中只有这些基本粒子的存在，它们之间完全没有互动，谁也不理谁，那么宇宙只会是一片粒子的海洋。因此宇宙中的所有粒子必须能够相互作用才能产生我们目前所看到的一切。据我们所知，宇宙中有四种基本力参与者所有粒子的互动方式。

四种力中有些很熟悉，比如万有引力，在生活中最常见也最直观。在宇宙的最大尺度上，引力不仅是最重要的力，而且可以说是唯一起作用的力。物体本身的质量和能量决定了时空本身如何弯曲，而这种弯曲又决定了物体如何运动和加速。

宇宙中，至少据我们所知没有所谓的“反质量”或“反能量”而导致一些物体因为引力而互相排斥，而另一些物体则被引力吸引。其实我们可以把质量/能量解释为只有一种类型的引力电荷，引力电荷总是表现为吸引力。

而其他力和相互作用就比引力稍微复杂一点。以电磁力为例，或者是两个带电粒子所产生的力。

其中有两种电荷：正/负电荷，同类电荷相斥，异类电荷相吸。它和引力不一样，也更复杂一些，但电磁力的一些应用对我们来说也很熟悉。毕竟，我们在地球上所做的每一件事都和电磁力有关。

例如，你可以轻而易举的拿起水杯喝水，你生气了可以打别人一拳，别人会感觉到痛，而你的拳头并没有穿透别人的身体，都是电磁力在起作用。

还有一个很好的例子：一个中性原子带正电的原子核被一群带负电的电子环绕着。电子互相排斥，但它们都被原子核吸引。只要原子的总电荷为零，且没有足够强的外部辐射，原子就会保持稳定和中性。这是构成我们这个世界上一切事物（生物和非生物）的基本要素。

我们已经在基本的量子层面上理解了电磁力是如何工作的。所有带电粒子之间的吸引和排斥是通过同一粒子（光子）来介导的。

电磁力只需要一个光子就可以同时兼顾吸引力和排斥力，这是因为电磁力的结构相对简单，只有两个电荷，同类排斥和异类吸引。但是如果我们深入到原子核内部，在基本层面上去了解这些微小的带电结构是如何结合在一起的？事情就会变得更加复杂。

原子核是由质子和中子组成的，当然除了氢，它本身就是一个质子。但是考虑到质子带正电荷而中子不带电荷，肯定有某种额外的力，一种比电磁力更强的力来把原子核固定在一起。否则，任何由一个以上质子（除了氢以外的任何原子）组成的原子都会因为电磁力的斥力把自己的原子核推开。

事实上，这种被命名为“强力”的力甚至需要把单个的质子和中子结合在一起。因为质子和中子本身不是基本粒子，而是由更小的带电粒子夸克组成的。

例如，如果没有另一种电荷附着在每一个夸克上，质子内部的电场力就会导致质子你、乃至原子核本身被电荷的排斥力推离开，因此每一个夸克除了有电荷外，它们还带有颜色电荷（色荷），色荷的类型不至一种（引力），也不是两种(（电磁力），而是有三种（红色、绿色和蓝色）。

夸克想要结合在一起来抵抗电磁力，就需要它们的色荷结合在一起形成“无色”。那么红色、绿色和蓝色夸克结合在一起就会形成“无色”，这个道理类似于三色光叠加在一起可以形成无色一样。

我们知道有物质和反物质，也有夸克和反夸克，那么也有颜色（红、绿、蓝）和反色：青色是反红，红色是反绿，黄色是反蓝。为了加起来形成无色，要么需要三个夸克（或者三个反夸克），要么需要一个夸克和一个反夸克结合在一起。

上图中：如果红色+绿色+蓝色等于白色，但红色+反红色也等于白色，这是否意味着绿色+蓝色等同于反红色呢？没错，至少在颜色方面就是这样的。这意味着我们可以把一个夸克和另外两个反夸克配对，或者可以和另外三个夸克和一个反夸克配对。只要颜色是白色的（或无色）就行。

这就是为什么可以有三个夸克的组合，比如质子和中子，或者一个夸克和一个反夸克的组合，比如介子。但不同于使时空弯曲的引力或交换光子（不带电荷）的电磁力，强力是通过交换一种新型粒子胶子来起作用的，胶子有一种颜色，也有一种反色！

这些胶子负责不仅将单个粒子（如质子、中子和介子）结合在一起，还将较大的原子核结合在一起。

夸克有三种颜色（红、绿、蓝）和三种反色（反红=青色，反绿=红色，反蓝=黄色），所以我们一般会认为可以通过将每种颜色与每种反色进行匹配得到九种类型的胶子。这种想法基本上是正确的。

假设有一个红夸克，就会发出一个红/反绿胶子，这时红色夸克就会变成绿色夸克，胶子会找到一个绿色夸克，把它变成红色，颜色就会被交换。

这就很好地解释了六种类型的胶子：红/反绿，红/反蓝，绿/反红，绿/反蓝，蓝/反红，蓝/反绿。

其他的三种呢？是不是应该有红色/反红色，绿色/反绿色，还有蓝色/反蓝色这三种胶子？

事实证明，几乎是这样。因为这些胶子没有固有的颜色，而所有的量子态混合在了一起。在量子物理学中，只要没有被禁止，任何理论系统只要有相同的量子数，混合就会发生。因此，这三种胶子不是“纯”的红色/反红色、绿色/反绿色和蓝色/反蓝色，而是红色/反红色、绿色/反绿色和蓝色/反蓝色三种状态的混合态。

但是其中的一种是所有三种颜色/反色对的混合确实是无色的，并且在物理上并不存在。所以只有8种物理胶子。

这就是为什么，如果我们想把任何两个夸克或反夸克分开，所需的能量就会增加，最终能量会达到一个点，只要把一个粒子/反粒子对从真空中拉出来，在这个过程中就会产生额外的粒子，这也是夸克禁闭的原因。

强力把每个原子核连接在一起，如果没有它，宇宙就只是一个由基本粒子组成的海洋，它们相互排斥，无法以任何有意义的方式结合在一起，也无法在整个宇宙中制造出除氢以外的任何元素。

没有发光的恒星，没有复杂的分子，宇宙中的任何地方都不会有岩石行星，只有一簇簇气体和巨大的空洞。

然而，现实的宇宙远远不止粒子汤，我们有星系，恒星，行星，重元素，分子，生命，还有你和我。