质量,是物质世界的基础属性,是衡量一个物体惯性大小的指标。在我们的日常生活中,人们也会时常站在秤上,检查自己的体重,关注自己的体形变化。

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然而,今天我们要探讨的课题,是关于物理课堂上质量定义的抽象性——到底什么是物质的质量?为何世间万物都拥有质量?

看似简单的提问,却让物理学界苦思冥想了漫长的岁月。

为了洞悉质量的本质,我们需要穿越到亚微观的层面,从根源上剖析物质的构成。

众所周知,所有宏观物质均由基本的微观单位构成,从分子到原子,再深入到原子核和电子等组成部分。

原子由电子和原子核组成,而原子核内部又是质子与中子的组合。在原子的质量构成中,原子核的质量占主导地位,因为电子的质量实在是微不足道,仅占整个原子质量的1837分之一,其余部分均为原子核的质量。

进一步观察原子核。它所包含的质子和中子,皆由三个夸克构成,差别只在于夸克的种类。随着对夸克研究的深入,物理学家们遭遇了不小的挑战。

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通常情况下,质子和中子既然由三个夸克构成,那么它们的质量应当等同于三个夸克的质量之和。但实际情况并非如此,两者的质量差距巨大。

实际上,三个夸克的质量总和仅占中子质子质量的1%。这令人难以置信,那么其他99%的质量究竟藏匿于何处?

答案就在四种基本作用力中的强力——强相互作用中。

自然界存在四种基本作用力,分别为强力、弱力、电磁力和引力,其中强力最为强大,而引力最弱。强力与引力相比,其强度竟高达10的负39次方。

你可能会好奇:强力与物质的质量之间到底有何联系?

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实际上,强力不仅将质子与中子紧紧维系在一起,还是将三个夸克紧锁在一处,形成质子和中子的力量。换言之,三个夸克通过不断传递强力紧密结合,而这种结合力所蕴含的巨大能量,可以通俗地理解为将夸克紧锁的“束缚能”。

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爱因斯坦的质量方程式告诉我们,能量和质量是等价的,因此这种强大的能量自然会表现出质量。前面所提及的99%的质量,正是夸克间强相互作用所形成的巨大能量。至于剩余的1%,则来自夸克这一基本粒子自身的质量。

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但问题的探索并未就此结束,另一个更大的谜团随之浮现:夸克的1%的质量又源自何处?

此时,我们不得不搬出“希格斯机制”这一理论,虽然最初仅为假设,但最终得到了证实。

根据希格斯机制,宇宙中充满了我们尚未察觉的希格斯场,它与大多数基本粒子互动,导致基本粒子“减速”,并在减速过程中展现出质量,这便是万物质量的源头。

我们可以通过一个形象的比喻来理解希格斯机制。

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想象一个熙熙攘攘的大广场,大多数人穿行其中不会引起太多注意。但若广场上出现了一位超级巨星,则会吸引无数粉丝的追随与“拦截”,巨星穿越广场的难度大大增加,因为粉丝们不断与其发生碰撞,阻挠其前行。巨星发现自己行走困难,速度被迫减慢。而普通人在广场穿行,则畅通无阻。

就像电子、夸克这样的基本粒子,如同巨星,在穿越希格斯场时遭遇“拦截”,与希格斯场发生“碰撞”(即相互作用),速度不得不减缓。而像光子和胶子这样的基本粒子,就像普通人,不受希格斯场的影响,保持原有的速度,即光速。

并且,越是“受欢迎”的巨星,所受的阻碍越大,速度减慢得越多,“质量”也就越大。

换言之,若无希格斯场,所有基本粒子本应以光速移动,天然如此,无需加速。但因为有了希格斯场,大部分基本粒子与其发生互动,被希格斯场“拦截”,无法以光速行进,在与希格斯场互动时获得了质量,即静质量。

而光子和胶子等基本粒子,因不与希格斯场互动,所以没有静质量,永远保持光速移动。

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然而,我们必须牢记,希格斯机制最初只是一种假设,需要经过实验验证才能确立其地位。借助大型强子对撞机,物理学家们终于在2012年找到了希格斯场存在的证据,他们发现了传说中的“希格斯玻色子”。

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希格斯玻色子的发现,证实了希格斯场的实际存在,并揭示了万物质量的来源。而提出希格斯机制的物理学家希格斯本人,也因此荣获诺贝尔奖,在他白发苍苍之际,激动之情溢于言表。

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综述

世间万物的质量源自两大部分:99%的质量源自强力束缚夸克的能量,这种能量形态本质上是核能,威力巨大;而剩余的1%的质量,则由希格斯场所赋予。