为什么质子和中子质量相近？ 第1页

最简单的解释就是质子和中子实际上是同位旋二重态的两个正交基矢，它们两个一起构成了一个同位旋为1/2的子空间。

从量子力学的角度来说，对称性会导致能级的简并。以氢原子为例，在不考虑微扰论时，当n和l相同时，无论m值和Sz值为多少，能量都是一样。这就是典型的对称性导致的能级简并，这些简并的能级张成了一个不变子空间（不考虑偶然简并的能级）。

当然，由于在现实中，诸如自旋-轨道耦合之类的相互作用会导致简并能级的劈裂，所以那些理论上本来应该一样的能级之间会有一些微小的差距。

回到质子和中子的问题上，在氢原子中起主要作用的是电磁相互作用，而质子和中子的质量主要来自强相互作用。从核子-核子散射的实验数据来看，质子和中子的表现是非常接近的，科学家们因此就提出了核力的电荷无关性，认为如果没有电磁相互作用，质子-质子散射、中子-中子散射、质子-中子散射数据应该是一样的。而根据核力的电荷无关性，人们又仿照自旋提出了同位旋的概念，认为质子和中子分别对应同位旋空间的|1/2,1/2>态和|1/2，-1/2>态，而且核力应该跟同位旋总量有关，而与同位旋第三分量无关。这样就能解释核力的电荷无关性。

至于质子和中子之间的微小质量差异，可以用电磁相互作用来解释。虽然这两个粒子从强相互作用的角度看是一样的，但从电磁相互作用角度看则不是，但核子中电磁相互作用要远小于强相互作用，所以电磁相互作用的影响基本上就相当于给一个原来简并的体系加上微扰，使能级劈裂， 这就造成了质子和中子之间微小的质量差异。