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所谓的“质量”到底是什么?质量又是如何产生的?
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2023.04.15 内蒙古

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对于普通人而言,质量就是个非常简单的概念,就算是工程师也仅仅把质量这概念当成一个工具,质量也只是个平平无奇的物理量,讨论度非常低,只有在物理课、教智能方程时才顺便提一句,但你有没有想过,所谓的“质量”到底是什么?质量又是如何产生的?你可能会反驳,对这种问题不屑一顾:质量就是质量,是物体本身自带的属性。但你有没有认真想过,真的是这样吗?平时我们所称的体重其实并不涉及到质量的本质,严格来讲只是地球给我们的重力。什么是质量?其实直到今天,也没有一个人知道,更不知道质量是怎么产生的。质量、这个听上去很简单的问题,其实是宇宙中最大的谜团之一。

2012年,欧洲核子研究所宣布,他们利用大型强子对撞机发现了上帝粒子、希格斯玻色子。这说明在宇宙中,在我们的身边,充斥着一种我们看不见摸不着的场,希格斯场。宇宙并不是虚空的,宇宙里充满着量子场薄膜,我们所有的人和物都处在薄膜中。科学家推断,希格斯场的存在也许就是质量产生的原因。质量到底是什么?我们还得从头说起。300多年前,牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》,这部名垂千史的著作正式开启了现代科学的序幕。在这部书的第一部分当中,牛顿对各种各样的物理量进行了定义,按照牛顿第二定律的描述,质量指的是一个物体的量,这种量决定了改变其运动状态的难易程度,可以看出,物体的质量越大,改变其运动状态就会越难,表现出来的就是惯性质量。但是牛顿第二定律这种对质量的描述仍旧比较抽象,我们需要更深入的诠释。

爱因斯坦提出了更加具体的诠释,他提出质量的本质其实就是能量。爱因斯坦提出的质能方程,相信大家都很熟悉。该方程表明:质量和能量是等效的,可以认为是同一种东西,但更本质的东西其实还是能量。通俗来讲,质量只是能量的另一种表现形式罢了。不管是惯性质量还是引力质量,这都不是质量的本质。想要了解质量,通常大家都会这么想,只要找到物质的最小单位,看看它是怎样获得质量的,不就能够解决这个问题了吗?我们都知道,日常我们所见的宏观物体都是由最基本的微观粒子组成的,万物都是由原子组成的,原子由电子和原子核组成,原子核又是由中子和质子组成。原子核和电子组成了原子的质量,但电子质量实在太小了,绝大部分质量都来自原子核,电子的质量几乎可以忽略不计。电子是基本粒子,不能继续分割,电子下面没有更小的结构单元。而质子和中子都有更小的结构单元组成:夸克。夸克和电子都是基本粒子。按理说,夸克的质量总和应该等于原子核质量,但事实并非如此,科学家们研究发现,夸克的质量总和加起来还不到原子核质量的1%,还有99%的质量去哪里了呢?

虽然人类已经可以精确的找到最小的粒子,但是仍然无法解决质量之谜,为什么呢?因为那些表现物理量特性的最小单元。比如夸克和电子,它们之间是依靠着不同的力结合在一起的。想要破解质量之谜,除了找到基本粒子外,还需要知道基本力是从哪来的。科学家发现维持原子运行的力一共有3种,第一种是电磁力,就是电子围绕着原子核运转的力,第二种是弱核力,就是中微子飞出原子核的力,第三种是强核力,就是将夸克束缚成质子与中子的力。根据质能方程,能量和质量是相互等价的。强相互作用是以非常大的能量把3个夸克束缚在一起,这个能量等价于一定的质量,占据了质子和中子99%的质量。搞清楚了99%的质量问题,剩余的1%才是最让科学家头疼,这是因为按照理论来看,基本粒子质量应该都是0,比如:夸克和电子其实都属于基本粒子。那问题到底出在哪里了呢?

要了解剩余1%的质量,我们就得先了解另外一个概念:场。场听起来很陌生,实际上,我们初高中在学物理学时也接触过,比如:引力是通过引力场来实现相互作用的,电磁力是通过电磁场来实现相互作用的。这个时候,一位关键的人物出场了。杨振宁有一个宏大的愿望,他想使用一个公式,将电磁力、弱核力与强核力三种力统一起来。恰好刚刚毕业的米尔斯与杨振宁共用一间办公室,两个人很快就成为了朋友。有一天,他们产生了一个绝妙的想法,杨振宁与米尔斯试着加入了一个二次项,神奇的事情发生了,他们得到了一个非常漂亮的数学结果。从那一刻起,杨振宁就知道自己打开了物理界的另一扇大门,1954年,杨振宁和米尔斯发表了杨米尔斯规范场理论,这是一个划时代的理论。

但是,杨米尔斯规范场理论却带来了一个绝对惊诧的问题,在这个理论的框架下,所有的粒子都是没有质量的。当时的物理学家都惊了,如果说粒子没质量,也就意味着整个世界没有质量,这完全不符合我们对世界的观察,为此,他们不得不提出一个新的假设,他们认为宇宙中应该还存在着我们所不知道的“场”,这个“场”可以和粒子发生作用,并且赋予粒子不同的质量,这个理论也被称为希格斯机制,赋予粒子质量的“场”叫做希格斯场。这个希格斯场布满了整个宇宙空间。那么,科学家们如何确定希格斯场的存在呢?答案就在“希格斯粒子”。

希格斯粒子又被称为“上帝粒子”,是希格斯场受到激发扰动形成的,科学家在2012年发现了希格斯粒子的存在。希格斯场也存在着某种机制,所谓的“希格斯机制”,并不是所有微观粒子都会与希格斯场发生作用,比如说光子就不会受到希格斯场的影响,所有光会以光速飞行,而且必须以光速飞行。希格斯机制也解释万物最后那1%的质量来源,质量是希格斯场赋予某些粒子的产物,但是细想一下还是不对,这仍然只是质量的一种表象。只是向最终的答案又迈进了一步而已。它仍然是这个世界最大的秘密之一。

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