质量的本质是什么？

我上个月写过一篇文章说到力的本质就是能量随空间位置变化的剧烈程度。今天再来说一个和能量关系密切的概念，质量。

说到这儿你可能会想到一个人，就是爱因斯坦。

你会想到他的那个著名的公式，E = mc^2，能量等于质量乘以光速的平方。

这个公式说明，能量和质量可以相互转化。就像鸡能生蛋，蛋能生鸡一样。

那么问题来了，到底是先有质量还是先有能量呢？我告诉你，这个问题单用相对论回答不了,只用量子力学也回答不了。

在这篇文章中，我会把相对论和量子力学结合起来，告诉大家一个答案，一定是先有能量，后有质量。

质量是物体惯性的大小

我们先说说质量到底是什么。

质量这个概念每个人从小就懂，你给了1斤大米的钱，我肯定不能只给你称5两。

但咱们买菜时候说的，是“重量”，不是“质量”。在给物体称重的时候，我们利用了它受到的万有引力。

我的大学老师曾经说过量子力学讨论不了引力，所以如果要讲质量，就要先把引力的影响排除。

该怎么排除呢？我们国家发射的天宫一号飞船，那里面东西都是漂着的，也就是都处于失重的状态，这就把引力排除出去了。

这时候我们就可以讨论质量了。如果你在天宫一号里推一瓶水，会觉得它很轻。但如果你在里面抓一个装满书的大箱子，它肯定会带着你一块儿飘走。

你也许还记得中学学过的一个概念，叫惯性。

你可以理解为，这是物体不愿意改变自己运动状态的一种属性，而且质量越大的东西，它就越不愿意改变，惯性就越大。

你看，失重的时候，引力的效果等于零，但是物体的质量还是有差别的。

你可能已经听出来我说的质量是什么了，就是物体的惯性。用物理学行话说，这叫惯性质量。

图：牛顿

在牛顿时代，物理学家就知道质量跟惯性是等价的。

只不过，当时他们以为，质量是恒定不变的。

到爱因斯坦时代，物理学家才开始意识到，质量和能量可以相互转化，比如后来就有了原子弹。

质量是静止的能量

但是能量分为两种，一种是动能，是物体运动时得到的能量，你可以把它理解成是运动的能量；相对应的，还有一种是静止的能量，叫势能。

质量是从哪种能量转化来呢？我们得先把动能排除在外。

为什么呢？因为动能和物体的运动有关，那就跟物体的速度有关。可我们知道，物体的速度不是一个不变的概念，而是跟你选择什么参照系有关。

比方说，小鸟把飞机玻璃撞了一个裂缝。如果以飞行员为参照系，那就是小鸟的动能太大，把玻璃撞裂了。

但如果以地面为参照系，小鸟飞得再快也没法跟飞机比，还是飞机的动能大，所以窗户撞裂了得怨飞机自己。你看，动能到底是大是小，根本没个准儿，要看你选择了哪个参照系。

但咱们也知道，不管是以飞行员为参照系，还是以地面为参照系，鸟的质量都是不变的。惯性质量是物质的内在属性，不随参照系变化。

所以，我们说的可以转化成质量的能量，是指不随参照系变化的那种能量。不是动能，那只能是势能。

如果把这个知识和量子力学结合起来，你就会发现，质量的本质，就是一种势能。

拿大家在健身房里见过的那种拉力器举例子。

拉力器中间的弹簧，会把两个把手拉在一起。你要是用手把它使劲拉开，弹簧变长，弹簧的弹性势能就增加了。

理论上说，拉力器的质量也就增加了。但是平时我们不这么以为，因为增加的质量相对太小了，我们体会不到。

但是进入量子世界，情况就不一样了。

物理学家发现，原子核中的质子，是由三个更小的粒子夸克组成的，质子的质量大概是938MeV。这个MeV其实就是量子力学中能量的单位，物理学家直接用能量来衡量质量了。

但奇怪的事情出现了，还有一个粒子也是由同样的三个夸克组成的，叫作△+粒子。按理说，组成它们的夸克种类一样、数量一样，两种粒子的质量就应该是一样的吧？

结果物理学家一测，发现它的质量却是1232MeV，比质子的938高出了一大截。这是怎么回事？原来，△+粒子只是物理学家给它起的名字而已，它本质上就是势能更高的质子。

它就相当于三个夸克本身都没变，但三个夸克之间的弹簧拉得更开了，质量大幅度增加。物理学家一开始没认出来，才给它起了另外一个名字。

后来物理学家还发现，其实好多所谓的“新粒子”，都是另外一些粒子的高能量状态。它们的基本组成都是一样的，只是质量不一样。

这都说明，质量可以从势能转化而来。

质量蕴含的势能源自基本相互作用

我们现在确定了质量和势能之间的转化关系，那到底先有谁呢？必须先有势能，才有质量。

用一句话解释的话就是，基本相互作用产生势能，势能转化为质量。

我再来具体解释一下。

在我们的世界中，存在四种基本的相互作用：强、电磁、弱和引力相互作用。

这些相互作用就像四种弹簧，都蕴含了势能。所以，这四种基本相互作用都在不同程度上，为物质贡献质量。

其中，贡献最多的是强相互作用。它贡献了你看到的物质的近99%的质量。是怎么贡献的呢？

2018年，当时在密歇根州立大学的物理学家杨一玻等人，利用计算机算出了其中的细节。

这些细节的名词都很难懂，比如以下这些；

强相互作用从大到小的贡献方式是：胶子能量，夸克能量，量子反常，夸克凝聚。

虽然不好懂，但不管怎么说，这99%的质量我们已经知道是哪儿来的了。

剩下的其他三种基本相互作用力，虽然也蕴含了势能、贡献了质量，但它们贡献得实在太少，甚至很多科普书在说到质量的时候，都不会提到它们。

那还剩1%的质量从哪儿来呢？

这1%也是由一种相互作用产生的势能贡献的，因为这种相互作用平时唯一的表现，就是给基本粒子提供质量，所以物理学家给它起了一个特殊的名字，叫希格斯机制。

希格斯就是2013年获得诺贝尔物理学奖的那个老大爷。

希格斯机制怎么给粒子赋予质量呢？就好比汽车掉到水里，你会发现车门重得根本推不动，就好像水给车门赋予了特别多的质量一样。

在给粒子赋予质量的时候，希格斯机制的作用就像水的作用一样。它充满了整个空间，但是又是透明的，看不见摸不着。

我们在其中就会感觉到，原来很轻很轻的东西，都变得沉甸甸的，很难搬动了，就变得像是有质量了。

总之，如果按照贡献质量多少来排队，那么强相互作用第一，希格斯机制第二。但如果从底层到高层来排队，那么希格斯机制完胜。

因为希格斯机制是给基本粒子赋予质量的，而强相互作用是给更复杂的粒子赋予质量的。

写到这儿，如果大家知道的科学知识比较多，你肯定知道，光子没有质量，这是为什么？为什么希格斯机制对光子没有效果呢？

其实，就是希格斯机制让光子没质量的。我简单说明一下，希格斯机制是有方向的。在这个方向上的粒子，受到它的作用，就获得了质量。

不在这个方向上的粒子，不受它的作用，就没有质量。光子刚好不在这个方向上，所以它没有质量。

当然，我以上写的这些其实才解释了宇宙5%的物质。除了我们已知的这些物质之外，还有占宇宙26%的暗物质，我们是不知道质量来源的。

剩下占宇宙69%的暗能量，不管它有没有质量，我们同样没有搞清楚它的能量来源。

其实就连在我们已知的5%的物质中，我们也没有全搞清楚。比如，中微子的质量是怎么来的，我们就不知道。

科学就是这样，永远承认自己知道多少，不知道多少。我们从来不宣称科学能解释一切。但科学能解释的现象，一定会越来越多。

以前总有人说，人死了以后，质量就会瞬间变小21克，所以灵魂的重量就是21克。

但如果你理解了质量的本质是什么，你就知道质量是从能量转化的，而这种说法则存在很多漏洞。

大家能想到那些漏洞？欢迎在下方评论区留言和大家分享你的答案。