质子内部真的只有三个夸克吗

质子是我们宇宙中最重要的粒子之一，它是现存最稳定的粒子，半衰期比宇宙寿命还要长得多。你可能听说过质子是由三个夸克组成的：两个上夸克和一个下夸克，甚至还知道将它们结合在一起的是胶子。但事实上这是质子的一个非常简化的模型，实际上质子可以同时由十几种不同的基本粒子组成。

要更深入地了解这一点，我们要从基础知识开始讲起。我们已经明确知道，质子不是基本粒子而是复合粒子，也就是说它是由更小的粒子夸克组成的。根据我们目前的认识，夸克已经是最基本的粒子了。

我们还知道质子带正电，电荷为 1，这意味着组成质子的夸克的电荷总和也必须为 1。于是他们提出了一个包含两个上夸克和一个下夸克的简单模型，因为上夸克的电荷是 2/3，下夸克的电荷是-1/3，把它们相加会看到电荷总数回到 1。

但如果质子内有带电的夸克，我们从电磁学中可以预测，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。所以在质子内，夸克之间的距离小于飞米，那么将导致两个上夸克相互分开并摧毁整个质子。显然这没有发生，因为还存在着强核力。这也是一种基本力，在具有色荷的粒子之间起作用。

色荷有三种颜色：红色、蓝色和绿色，每个夸克都带有一种颜色，而它们组成的重子（例如质子）则整体呈白色。介导强核力的粒子被称为胶子，它也含有色荷。因此，夸克之间的电磁排斥力会被胶子结合的强力所抵消，它还可以防止带相反电荷的上下夸克之间的电磁吸引力导致它们坍缩成奇点。因此强力可以根据其作用范围而具有吸引力或排斥力。

现在我们明白了基本知识，接下来就更深入地研究一下最开始提到的问题。质子的整个尺寸不到一飞米，这是一个难以置信的微小距离，它牢牢地将我们置于量子力学体系中。随着牛顿定律的不适用，我们需要量子力学来描述这些系统。

由于在这种尺度上粒子的波状性质，量子力学只能给出不同事件的概率。例如氢原子中电子的位置是以每个范围内的概率给出的，而不是给出一个明确的答案。这不是由于缺乏测量精度而引起的，而是宇宙的基本和内在的规则。

其中，最著名的是海森堡的不确定性原理，它告诉我们不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。事实上，不仅仅是位置和动量，能量和时间这一对属性也是不确定性的，如果我们用公式来表达就是：ΔtΔE≧ℏ/2。所以这个不确定性原理意味着时间的不确定性乘以能量的不确定性必须大于约化普朗克常数除以2。

这也就意味着，自发存在的能量越多，它可以存在的时间就越短。如果ΔE确实很大，那么Δt一定很小，反之亦然。这对质子很重要，因为这意味着在质子内，海森堡的不确定性允许能量不断地出现和消失。从爱因斯坦的狭义相对论中，我们知道能量和质量是等价的，因此来自不确定性原理的能量表现为质子内的质量。具体而言，它能通过创建粒子-反粒子对来做到这一点。

所以让我们将这一切理论放入质子中，它们允许粒子-反粒子对在其内部短暂形成。在这种情况下，它们总是以夸克-反夸克对的形式存在。并且由于量子色动力学的存在，这些夸克对将在系统内相互作用。举一个简单的例子，不确定性原理导致上夸克和反上夸克出现在质子内，并持续不确定性原理所允许的时间，然后这些额外的夸克就会互相湮灭消失。

所以，在短暂的时间内，质子实际上由五个夸克组成，三个上夸克、一个下夸克和一个反上夸克。我们将始终保留在质子中的三个夸克，即我们所熟悉的两个上夸克和一个下夸克称为价夸克。由于海森堡不确定性而出现的夸克-反夸克对被称为海夸克。

上夸克和反上夸克只是其中一个简单的例子，质子中还会反复出现其他味道的夸克和反夸克对。但是上夸克是最轻的，它的寿命最长，而其他类型的夸克较重寿命较短，因此我们几乎不会在质子中看到巨大的顶夸克，因为其在湮灭之前只存在非常短的时间。