质量,是宇宙万物的基本属性,是物体惯性大小的度量。日常生活中,我们也会经常称自己的体重,看看自己是胖了还是瘦了。

但今天我们要讨论的问题是,物理课上我们对质量的定义其实是相当抽象的,到底什么是质量?宇宙万物为何有质量?

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这个看似很简单的问题,却困扰了物理学家们相当长的时间。

要想弄清楚质量的本质,我们需要深入到微观世界,从根本上来分析物质的组成。

我们都知道,任何宏观物体都是由基本的微观粒子组成的,从分子,原子,再到更小的原子核和电子。

原子由原子核和电子组成,而原子核又是由质子和中子组成的。原子核的质量几乎等同于原子的质量,因为电子实在太轻了,只占了整个原子质量的1837分之一,剩下的全部是原子核质量。

再来看看原子核。组成原子核的中子和质子,都是由三个夸克组成的,只是夸克的种类不同罢了。而随着对夸克的深入研究,物理学家们遇到了难题。

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按理讲,既然中子和质子都是由三个夸克组成的,那么质子或者中子的质量就应该等于三个夸克的质量总和。但实际上并非如此,而且两者的差距非常大。

三个夸克的质量总和竟然只占了中子质子质量的1%!这太不可思议了,剩下的99%质量哪里去了?

四种基本作用力中的强力,也就是强相互作用,揭开了这个谜团。

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在自然界中,存在着四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。其中强力的强度最大,引力最弱。如果强力的大小是1,那么引力只有10的负39次方!

你可能会问:强力与质量到底有什么关系呢?

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强力,不但把质子和中子牢牢束缚在一起,而且也是把三个夸克束缚在一起形成中子质子的力量。说白了,三个夸克不断通过传递强力,牢牢地束缚在一起,而这种力量蕴藏着巨大的能量,可以通俗理解为把三个夸克束缚在一起的“束缚能”。

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根据爱因斯坦的质量方程,能量和质量是等价的,强大的能量自然也会表现出质量。而刚才所讲的99%的质量,就是夸克之间强相互作用形成的巨大能量。只有1%的质量来自夸克这种基本粒子的本身质量。

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但问题到这里远没有结束,更大的问题出现了,夸克的1%质量又是哪里来的呢?

是时候拿出“希格斯机制”这个“法宝”了,这个机制一开始也只是假设,只是后来被证明了。

希格斯机制认为,宇宙中充满了一种不为我们所知的场,所谓的希格斯场,这种场会与大多数基本粒子发生作用,从而让基本粒子发生减速,在减速的过程中表现为质量,这就是万物质量的来源。

可以这样通俗理解希格斯机制。

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希格斯场就相当于一个大广场,那里人来人往,大部分人都不会太在意。但是,假如有一个超级明星出现在广场,就会遭遇粉丝们的“围追堵截”,穿过广场时就会遇到很大阻力,因为粉丝们与超级明星会不停地发生碰撞,阻拦超级明星,让他的速度降下来,超级明星就会发现自己行走很困难,速度变得很慢。

但是普通人在广场行走,基本上是畅通无阻。

像电子,夸克等大部分基本粒子都属于“超级明星”,在穿越希格斯场时,会遭到希格斯场的“阻拦”,与希格斯场发生“碰撞”(也就是相互作用),速度会慢下来。而光子和胶子等就像是普通人,不会与希格斯场发生作用,当然也不会受到希格斯场的阻拦,结果只能以本来的速度飞行,也就是光速。

而且,人气越大的明星,受到的阻拦也就越厉害,速度就更慢,“质量”也就更大。

说白了,如果没有希格斯场,所有的基本粒子本应该都以光速飞行,而且生下来就是光速,没有任何加速过程。而如今有了希格斯场,大部分基本粒子都会与希格斯场发生相互作用,相当于被希格斯场“阻拦”,不能以光速飞行,这些基本粒子在与希格斯场发生作用时,获得了质量,也就是静质量。

而光子和胶子等基本粒子不会与希格斯场发生作用,因此没有静质量,永远以光速飞行。

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不过,刚才也讲了,希格斯机制一开始只是假设,必须经过实验验证才能站得住脚。通过大型强制对撞机,物理学家们在2012年也终于找到了希格斯场存在的证据,他们找到了传说中的“希格斯玻色子”,那是希格斯场受到扰动产生的基本粒子,也被称为“上帝粒子”。

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希格斯玻色子的发现,证实了希格斯场确实存在,也诠释了万物质量的来源。而提出希格斯机制的物理学家希格斯本人,也因此而获得了诺贝尔奖,当时的他满头白发,非常激动,可谓老泪纵横!

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总结

宇宙万物的质量来源于两部分,99%的质量来源于强相互作用束缚夸克的能量,这种能量形式其实也是核能,非常强大。而剩下1%的质量是希格斯场赋予的。