假如一个中子由静止状态转为超高速自转状态，它的质量增加吗？惯性质量增加吗？ 第1页

题主说的“静止”大概是指不转动？或者用专业的话说，角动量为0？然而，中子不可能角动量为0，因为它是自旋1/2的费米子，有个内禀的自旋角动量在这里。所以，中子没有这个不转动的“静止状态”。

那么换一种问法，假如中子由这个自旋1/2的最低能状态转变为更高自旋的东西，它的质量增加吗？答：增加。只不过更高自旋的那个东西就不叫中子了。

这是什么意思呢？我们都知道中子（在低能图像上）是由一个u夸克和两个d夸克组成的（简写：udd），但是一个u夸克和两个d夸克并不是只能组成“中子”这种状态。夸克是自旋1/2的费米子，根据量子力学的角动量耦合规则，三个自旋s=1/2的夸克耦合之后的总S可以是S=1/2或S=3/2。其中，S=1/2的udd组分，并且夸克之间没有轨道角动量也没有径向激发的话，总角动量就是J=1/2，对应的那个粒子就是中子。S=3/2的udd组分，且夸克之间没有轨道角动量也没有径向激发，总角动量就是J=3/2，对应的那个粒子被称为 重子^[1]。

再说得明白点，这个 重子的夸克组分也是udd，但是它是J=3/2，比中子的自旋要高。至于质量，中子的质量大约是940MeV， 重子的质量是1233MeV。所以你可以认为，令中子的组分不变，把它的自旋提高一个台阶，它的质量会增大，只不过高自旋的那个东西就不被定义为中子了。

实际上，除了 重子之外，还有一些其他的高自旋的udd组分的粒子。举个例子，前面我们说的情况都是夸克之间没有轨道角动量，如果有这个体系内部有一个轨道角动量L的话，那么三个夸克的总S还可以再与这个L进行耦合。比如三个夸克总S=1/2，它们之间还有个轨道角动量L=1，那么最终也会耦合出一个udd组分的总角动量J=1/2+1=3/2的粒子。它的名字叫做N(1520)，其中的1520就是指这个粒子的质量是1520MeV。 可见，这种高自旋的udd组分的粒子的质量也比中子的质量大。

那么为什么这些高自旋的重子比相同组分的基态重子质量要大呢？对N(1520)这样的有轨道角动量的高自旋粒子来说，这其实不难理解。高自旋说明这个粒子是个“角向激发态”，这种激发会体现在体系的哈密顿量（或者说能量）里面，使得体系处于较高能量的状态。这个较高的能量是组分夸克的质心系里面的，最终都体现为了重子作为一个整体的静能。而我们知道“静能”和“质量”这两个概念是等价的，因此与基态重子相比，有轨道角动量的高自旋重子往往质量更大^[2]。

再说为什么 重子比中子质量大，这个问题比较复杂，涉及到自旋-自旋相互作用。我看的书里面只讲过从正反夸克的自旋-自旋相互作用出发，去理解为什么自旋1的矢量介子比自旋0的赝标介子质量大。重子的情况我不知道能不能直接推广过来，所以就不说了。总之，这些复杂的相互作用会给高自旋的那个态提供更多的静能，使得它质量更大。

最后附一个N重子和Δ重子激发态列表，包括它们的质量、自旋以及衰变情况：

参考

1. ^ 注1：重子是指三个夸克组成的粒子。
2. ^ 注2：高自旋的都是激发态，但激发态不一定是高自旋。比如前面我们说的S=1/2和L=1耦合的情况，也可以耦合出J=1-1/2=1/2的低自旋的激发态粒子。这种情况下粒子的质量也很大。