为什么一个中子比质子稍重呢？

 Paul Davies

04 May 2017

  保尔 · 戴维思写道中子和质子之间的这个细微的差别使它们成为质量创造的武器。

伟大的宇宙设计师最初的打算了质子和中子具有相同的质量但然后随一个后思给中子多扔了一点吗？Jeffrey Phillips

伽利略著名的写下了自然这本书是"用数学语言写的"。真实的是在科学家和工程师的生活中数字无处不在出现的。但并不是所有的数字是相等的︰ 一些数字是比其它的数字远更重要的。在新南威尔士州圣诞节的笑翠鸟数目对鸟类学家可能是感兴趣的，但几乎没有宇宙的重要性。

然而，几个数字确实似乎对宇宙的运作是基本的，因为它们描述自然的最基本的过程。高列在这个表上的是亚原子粒子的质量。成打的粒子对物理学家是众所周知的，但最熟悉的是原子的成分︰ 电子、质子和中子。质子比电子约重1,836 倍，没有人知道为什么自然选上了这个特别的数字。按照最佳测量中子是比质子非常的稍重约 0.1%或1.00137841887。这是为什么呢？伟大的宇宙设计师最初的打算了质子和中子具有相同的质量但然后随一个后思多给中子扔了一点吗？

    中子-质子质量差异可能似乎是微不足道的但它有重大的后果，因为质量是一种能量 (记住 E = mc²)的形式。中子如它发生的比一个质子和一个电子相结合的有一点更多的质量（因而能量）。在自然中有一个物理系统的当单独留下时寻求它们的最低的能量状态的一般原则。果然，一个孤立的中子将很快在平均约 15 分钟内自发的转变为一个电子和质子，一个称为β衰变的过程。（另一种称为反中微子粒子也参与其中，但那个不需要我们在这里关心因为它几乎是无质量的）。任何中子仍然存在的唯一理由是因为在创造了宇宙的热大爆炸后的几分钟内, 一些中子把它们自己粘在了质子上。这种强的中子质子结合力变化这个能量平衡------不是很多的，而足以稳定中子。

如果伟大的设计师用其它的一轮方法做了它有约比中子更重约 0.1%的质子的话，灾难会接踵而来。在这些情况下，孤立的质子会变成中子而不是约其它方式的。一些质子将通过附着到中子会被保存。但最简单的元素氢，确实不包含一个稳定的中子，氢原子只是由一个质子和一个电子组成的。在这个落后的宇宙中氢不可能存在。也不可能有任何稳定的长寿恒星，长寿恒星使用氢作为核燃料的。更重的在大的恒星中制造的元素例如碳和氧可能永远不能形成。没有稳定的质子可能就没有水和可能没有生物学。这个宇宙会非常不一样的。

我们知道的包括我们自己在它之内存在的这个宇宙的事实如此精妙的系在中子对质子质量比的精确值上导致了科学家之间的激烈争论。原来是物理学的定律只是这种方式的一个幸运的侥幸吗？或者，这确实暗示某种更为深刻的东西吗？

科学家们不倾向去相信运气，因此一直有一个对多元宇宙的理论的兴趣的飙升，按照多重宇宙理论，我们的有它的中子对质子质量比为 1.00137841887的宇宙只是许多中的一个。其他的宇宙将有不同的比率并可能只有小部分的会含有水和去形成像碳一样原子的恒星，从碳可能产生生命的。只有在这一部分中可以有观察者来思考这一事实。然后我们发现我们自己在一个中子质量是是如此判断权衡来许可复杂的化学反应和我们存在为思考的、观察的存在物的宇宙中是毫不奇怪的。

上述论点系在中子和质子的质量是"自由参数" ------那就是它们可以一直是不同的可能性上的。这似乎是回到20 世纪 50 年代当这个质量比的关键值第一次被讨论时的情况。然而，我们现在知道中子和质子其实不是基本粒子（不同于电子，电子似乎是）。相反，它们是它里面的更小粒子的复合体。这些被称为夸克的亚核成分有它们自己的质量。由于把夸克粘在一起的极大的强力在中子和质子里面也有巨大数量的能量，这也贡献到整体质量 (E = mc² 再次 ！)。这个结构的复杂性使通过分析它们的成分找出质子和中子的质量的精确数值几乎不可能的，更别说找出它用这个夸克或夸克来足以转变的质量贡献来打乱那个关键的中子质子的质量比的。

因此现在，1.00137841887 刚好是自然已经安排的没有原因人类能探测的"这些数字的之一"。如果这个值偏移了只是一点点会没有人类的------伽利略或其他方式的------来甚至尝试这个探测的。

This article appeared in Cosmos 74 - Autumn 2017 under the headline "The power of 1.00137841887"

保尔戴维思（Paul Davies）是理论物理学家、宇宙学家、天体生物学家和畅销书作家

https://cosmosmagazine.com/physics/why-is-a-neutron-slightly-heavier-than-a-proton