深度长文：万物都有质量，但是质量到底是如何产生的？|原子核|夸克|宇宙线起源|希格斯场|引力|粒子

春节过后，很多人都会习惯性地站在体重秤上，看着显示屏上跳动的数字，难免会发出一声感叹：“又胖了几斤！” 这里的“斤”或者“公斤（千克）”，是我们日常生活中最常用的质量单位，我们早已习惯用它来衡量自己的体重，甚至以此判断身体的胖瘦程度。

但很少有人会思考一个问题：我们平时测量的，真的是自己的“质量”吗？事实上，这种对质量的测量和描述方式，从严格的物理学角度来看，并不严谨。

严格来讲，我们日常使用体重秤测量到的数值，并不是我们自身的质量，而是地球对我们身体产生的引力大小。我们通常所说的“体重”，本质上是物理学中的“重力”，它的计算公式是G=mg（其中G为重力，m为质量，g为重力加速度）。

这就意味着，同一个物体，在地球的不同位置测量，得到的“体重”数值会有所不同——因为地球不同位置的引力并不完全相同，同时地球自转产生的离心力，也会对测量结果产生较大影响，而地球不同位置的离心力大小也存在差异。

举一个简单的例子：一个质量为50千克的人，在赤道地区测量的体重，会比在两极地区测量的体重稍微轻一些。

这是因为赤道地区的地球半径最大，引力加速度g的值最小，同时赤道地区的离心力最大，这两个因素共同作用，导致赤道地区测量的“体重”（重力）会略小于两极地区。而我们所说的“质量”，则是物体本身固有的属性，不会因为位置的变化而改变——无论这个人走到地球的任何地方，甚至登上月球，他的质量依然是50千克，改变的只是他所受到的引力，也就是我们所说的“体重”。

在经典物理学的框架中，物体的质量有着明确的定义：质量指的是物体所含物质的多少，是一个恒定不变的物理量，不随物体的形状、状态、位置和温度的变化而改变。

同时，质量也是衡量物体惯性大小的物理量，因此也被称为“惯性质量”。惯性是物体保持自身运动状态不变的性质，质量越大，物体的惯性就越大，改变它的运动状态就需要更大的力。比如，推动一辆装满货物的卡车，要比推动一辆空卡车困难得多，就是因为装满货物的卡车质量更大，惯性也更大。

经典物理学对质量的定义，在我们日常生活中是完全适用的，也能很好地解释我们身边的大多数物理现象。但随着科学的发展，爱因斯坦的相对论打破了经典物理学的局限，对质量的本质提出了全新的看法，彻底改变了人类对质量和能量的认知。

爱因斯坦在狭义相对论中提出的质能方程E=mc²（其中E为能量，m为质量，c为真空中的光速），告诉我们一个颠覆性的结论：质量和能量是等价的，两者可以相互转换，质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。这个方程不仅揭示了质量和能量的内在联系，也为后来的核能开发、粒子物理研究等奠定了理论基础。

很多人在了解质能方程后，会简单地认为“质量其实就是能量”，但这种说法并不严谨。质量和能量虽然等价，但并不等同，它们是同一物理本质的两种不同表现形式。

打个比方，质量和能量就像水和冰，它们的本质都是H₂O，但形态不同，水可以结冰，冰也可以融化成水，就像质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。

比如，在核反应中，原子核发生裂变或聚变时，会有一部分质量亏损，这部分亏损的质量会转化为巨大的能量，这就是核武器和核电站的工作原理；而在高能粒子对撞实验中，极高的能量也可以转化为新的粒子，也就是能量转化为质量的过程。

要真正理解质量的本质，我们就需要跳出经典物理学的宏观视角，进入微观世界，从量子层面去探究——因为万事万物都是由最基本的微观粒子组成的，质量的本质，最终也需要从微观粒子的层面来解释。

从量子世界的角度来看，广义上的物体质量，主要包含两个部分：一是基本粒子本身拥有的质量，二是这些基本粒子之间通过相互作用而产生的能量，而这种能量会以质量的形式体现出来。

我们都知道，宏观世界中的万事万物，小到一粒尘埃，大到星球宇宙，都是由原子组成的。

原子是化学变化中的最小微粒，但从物理学角度来看，原子并不是不可再分的——原子由带负电的电子和带正电的原子核组成，电子围绕原子核高速运动。而原子核又由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子和中子的质量相近，都远大于电子的质量，因此原子的质量主要集中在原子核上。

随着粒子物理的发展，科学家发现，质子和中子也并不是最基本的粒子，它们是由更基本的粒子——夸克组成的。

夸克是目前已知的、构成物质的最基本粒子之一，目前已发现的夸克有6种，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克，其中构成质子和中子的，主要是上夸克和下夸克。具体来说，一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由一个上夸克和两个下夸克组成。

这些不同的夸克之间，并不是孤立存在的，它们通过一种强大的相互作用力——强相互作用结合在一起，而传递这种强相互作用的粒子，叫做胶子。

强相互作用是自然界四种基本相互作用力（强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用）中最强的一种，它的作用范围非常小，仅在原子核尺度内起作用，但正是这种强大的作用力，将夸克拉在一起，构成了质子和中子，进而构成了原子和整个宏观世界。

这里有一个非常神奇的现象：理论上，质子的质量应该等于组成它的三个夸克的质量之和，但通过实验测量发现，事实并非如此，而且两者之间的差距非常大。

经过精确计算，组成质子的两个上夸克和一个下夸克的质量总和，仅仅只有质子总质量的不到1%，剩下的99%的质量，到底是如何产生的？

这个问题曾经困扰了科学家很多年，直到粒子标准模型的出现，才为我们揭开了这个谜团——而这一切，都与希格斯场和希格斯粒子有关。

粒子标准模型是目前物理学中描述微观粒子及其相互作用的最完善的理论，它预言了多种基本粒子的存在，并且大部分都已经被实验证实。

根据粒子标准模型的解释，夸克之间传递强相互作用的胶子，本身是没有静质量的——这一点和传递电磁力的光子很像，光子也没有静质量。但在胶子传递强相互作用的过程中，它们会从一种充满宇宙每个角落的背景场——希格斯场中“借”来能量，而这些能量会以质量的形式体现出来，这就是质子和中子那99%质量的来源。

那么，什么是希格斯场呢？

简单来讲，希格斯场是一种充满宇宙每个角落的、无形的宇宙背景场，它就像一片看不见、摸不着的“海洋”，所有的基本粒子都会在这片“海洋”中运动。希格斯场的一个重要特性，就是能够与某些基本粒子相互作用，从而让这些粒子获得质量——粒子与希格斯场的相互作用越强，获得的质量就越大；反之，相互作用越弱，获得的质量就越小；如果完全不与希格斯场相互作用，粒子就不会获得静质量，比如光子和胶子，它们就不与希格斯场相互作用，因此它们的静质量为零。

为了让大家更容易理解，我们可以做一个通俗的类比：希格斯场就像一个人群拥挤的广场，每个基本粒子都是在广场上奔跑的人。

如果一个人（粒子）与广场上的人群（希格斯场）几乎没有相互作用，那么他就能轻松地快速奔跑，不会受到太大的阻碍，这就相当于粒子不与希格斯场相互作用，静质量为零（比如光子）；如果一个人与广场上的人群有一定的相互作用，会受到人群的阻碍，奔跑起来比较费力，这就相当于粒子与希格斯场相互作用，获得了一定的静质量；如果一个人与人群的相互作用非常强，被人群紧紧包围，几乎无法移动，这就相当于粒子与希格斯场的相互作用极强，获得了很大的静质量（比如构成我们身体的基本粒子）。

希格斯场的存在，是粒子标准模型的重要预言，但预言需要实验来证实。

那么，科学家们是如何确定希格斯场真的存在的呢？答案就是寻找希格斯玻色子——希格斯玻色子是希格斯场受到激发后产生的粒子，就像平静的水面受到扰动后产生的波纹一样，希格斯场受到能量激发后，就会产生希格斯玻色子。因此，只要找到希格斯玻色子，就能够间接证实希格斯场的存在。

为了寻找希格斯玻色子，科学家们付出了几十年的努力，建造了大型粒子对撞机——通过将两束高能粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞，在碰撞产生的巨大能量中，寻找希格斯玻色子的踪迹。