如果你去问科学爱好者最想得到的是什么，他们可能会说是生命、宇宙以及万物的答案，不过他们也可能想拥有《星球大战》里的光剑。有意思的是，一种科学领域的研究有助于同时实现这两种目标。这个研究就是对质子和中子质量差的研究。
质子和中子的质量差
质子和中子统称为核子，它们一起可以构成原子核——原子的核心部分。质子和中子的一个重要区别就是质子带正电，中子不带电。但是，它们之间还有一个重要的区别：质子和中子的质量是不一样的，质子的质量约为938.3MeV，中子的质量约为939.6MeV。（MeV为兆电子伏特，对应的质量约为1.783×10-30千克。）
这个质量差虽然很小，但是极为重要。中子比质子更重，意味着中子是不稳定的，它可以衰变为质子，而不是反过来。物理学家推测出质子的半衰期至少有1032年，鉴于我们的宇宙只存在了约1010年，可以说现在没有人会观测到质子的衰变。这样，有了稳定的质子，才有了稳定的原子。如果质子比中子重的话，这意味着稳定的粒子是中子而不是质子，而中子不带电，无法与电子结合形成原子，那会导致宇宙永远只可能是基本粒子的世界，你和我以及周围的一切都将不复存在。
另外，这个质量差的多少也极为重要。我们知道，最简单的原子是氢原子，包含一个质子和电子。氢是宇宙中最常见的化学元素，早在宇宙第一颗恒星诞生之前，氢就产生出来了，氢在很高的温度下或很高的压强下可以嬗变形成更重的元素——氦。如果质量差变大一点的话，氢就无法嬗变为氦，因为所需要能量变得极高。这样，宇宙将会只有氢元素。
如果质量差变小一点的话，那么氢就很轻易变成最不活泼的氦元素，这样恒星形成将变得极为困难，宇宙将会是氦的天下。如果质量差更小的话，那么氢原子可以通过逆β衰变，变为中子以及另一种中性粒子，中微子。这样，原子将不复存在。
所以，我们会得到这样的结论：质子和中子的质量差极为重要，其差值改变一点点，就会导致我们人类不复存在。那么这个差值是怎么来的呢？
难以捉摸的夸克泡沫
回答这个问题可不是一件容易的事情。因为早在半个多世纪前，物理学家就知道，中子和质子都不是基本粒子，它们是由一种叫做夸克的基本粒子构成的。夸克总共有6种，分别叫做上、下、粲、奇、底和顶。质子由2个上夸克和1个下夸克构成，而中子由1个上夸克和2个下夸克构成。
下夸克比上夸克略重，但是不要指望这就可以解释质子和中子的质量差。上夸克和下夸克的质量都很小。我们很难知道它们确切的质量，因为夸克从来都不会单独存在。不过，物理学家初步估计，上夸克的质量似乎介于2到3MeV之间，而下夸克的质量大约是上夸克的两倍。所以说，夸克只占中子和质子总质量很小的部分。
就像其他的基本粒子一样，夸克通过与无处不在的希格斯场发生作用获得质量。但是夸克质量很小，要解释质子和中子的质量，很显然还需要其他的机制。
所需要的机制来自于量子色动力学。粒子具有电荷，具有何种电荷决定了它们如何响应电磁力。同样，夸克会携带3种“色荷”中的一种，携带何种色荷决定了它们如何响应另一种基本作用力——强核力。强核力就是把夸克束缚在一起构成核子的力，也是把核子束缚在一起构成原子核的力。而量子色动力学就是描述强核力的理论，不过这个理论是极为复杂的。
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。
另外，这种计算方法来得正是时候。现在，欧洲的大型强子对撞机正在以更高的能量进行粒子对撞，如果遇到新的不寻常的信号，物理学家可利用福多尔的计算方法去研究。
尽管听起来有点夸张，不过既然我们已经有了能力去计算核子内部的运行情况，那么预示着将来还可以催生出相关的技术。
回想一下，一个多世纪前，我们开始逐步理解原子，这使得我们最终发明出了现代计算机以及激光等等。之后，随着对原子核的理解，我们还发明出了核弹、核电站和癌症化疗技术等等。
所以，走进质子和中子内部必然会带来全新的技术。例如，胶子传递强核力的程度比光子传递电磁力的程度更为剧烈，这意味操纵携带色荷的粒子可以产生更多的能量，以此可以研发出更为强大的X射线或伽玛射线源。另外，胶子不像光子，它们可以与自己发生相互作用，形成一种彼此缠绕的能量柱，物理学家认为依据这个原理，可以制造出类似《星球大战》中的光剑。
也许能带来的最重要的技术是密集能量储存技术。核子可以在很小的空间里存储很多能量，如果我们在理论和实验中完全搞清楚了核子，那么早晚有一天我们会找到像核子那样存储能量的办法。
福多尔的计算方法出现，意味着我们将会走进一个全新的时代——夸克时代。
