物體為什么會有質(zhì)量，質(zhì)量從何而來？

零壹貳012 2020-08-07

展開全文

世紀難題：質(zhì)量

話說300多年前，牛頓發(fā)表了著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，這部名垂千史的著作正式開啟了現(xiàn)代科學(xué)的序幕。在這部書的第一部分當(dāng)中，牛頓對各種各樣的物理量進行了定義，其中開頭第一個就是關(guān)于“質(zhì)量”的定義。他寫道，物質(zhì)的量是起源于物質(zhì)的密度和大小聯(lián)合起來的一種度量。

雖然牛頓對質(zhì)量進行了定義，但這個定義一直以來并沒有讓所有的科學(xué)家都滿意。甚至質(zhì)量一直以來都困擾著科學(xué)家，他們一直在思考：質(zhì)量的本質(zhì)到底是什么？

四種基本作用

這個問題一直困擾著科學(xué)家200多年，直到上個世紀才逐漸揭曉謎底。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們這個世界其實是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)之間會發(fā)生各種相互作用。最早，牛頓把這個作用叫做：力。在上個世紀之前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著兩種基本力，分別是萬有引力和電磁力，比如：地球繞著太陽轉(zhuǎn)就是因為萬有引力，而磁鐵的“異性相吸同性相斥”就是電磁力。

可是到了個世紀，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“力”的概念并不夠用了，用“相互作用”取而代之，并且他們發(fā)現(xiàn)宇宙其實還存在著另外兩種相互作用加上前兩者，就一共有4種，分別是強相互作用，弱相互作用，引力相互作用，電磁相互作用。

可能很多人無法理解強相互作用到底是什么？

不知道你想過沒有，原子是由原子核和電子構(gòu)成的，而原子核內(nèi)主要是質(zhì)子和中子，質(zhì)子帶整點，而中子不帶電，根據(jù)同種電荷相排斥的原理，質(zhì)子之間其實存在著靜電斥力（電磁力），理論上這么多的質(zhì)子不太可能能夠聚集在一起，這說明有一種比電磁力更強的力把質(zhì)子束縛在了一起，它其實就是強相互作用。至于弱相互作用，它真的很弱，和衰變有關(guān)，太陽內(nèi)核的核聚變反應(yīng)就是由弱相互作用參與的。

所以，這四種相互作用就好像是萬物的粘合劑，都是不可或缺。正是它們的存在，萬物才不會像一盤散沙。對于強相互作用和弱相互作用的研究，也打開了了解“質(zhì)量”的大門。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的質(zhì)量基本上都集中在原子的原子核當(dāng)中，而原子核又是由質(zhì)子和中子，也就是說，質(zhì)子和中子集中物質(zhì)絕大部分的質(zhì)量。

后來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子還能夠繼續(xù)再分下成三個夸克，如果計算一下就會發(fā)現(xiàn)，夸克占據(jù)的質(zhì)量也僅僅是質(zhì)子和中子總質(zhì)量的1%，那剩余的99%哪兒去了？

剩余的99%來自于強互相作用，根據(jù)質(zhì)能方程E=mc^2，這里的E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表光速。這個公式告訴我們，能量和質(zhì)量是相互等價的。強相互作用是以非常大的能量把3個夸克束縛在一起，這個能量等價于一定的質(zhì)量，占據(jù)了質(zhì)子和中子99%的質(zhì)量。

搞清楚了99%的質(zhì)量問題，剩余的1%才是最讓科學(xué)家頭疼，這是因為按照理論來看，基本粒子質(zhì)量應(yīng)該都是0，比如：夸克和電子其實都屬于基本粒子。那問題到底出在哪里了呢？

規(guī)范場&希格斯機制

要了解科學(xué)家如何解決剩余1%的質(zhì)量，我們就得先了解另外一個概念：場。場聽起來很陌生，實際上，我們初高中在學(xué)物理學(xué)時也接觸過，比如：引力是通過引力場來實現(xiàn)相互作用的，電磁力是通過電磁場來實現(xiàn)相互作用的。

科學(xué)家就在思考，是不是可以利用“場”來把各種相互作用統(tǒng)一起來，就好比一套通用的規(guī)則，然后設(shè)計不同的初始闡述，就可以解釋不同的相互作用，這套通用的規(guī)則被稱為規(guī)范場。德國的數(shù)學(xué)家外爾最早提出這個觀念，并且用此來解釋麥克斯韋的電磁場理論。

到了1954年，楊振寧和他的學(xué)生米爾斯又在外爾的基礎(chǔ)上做出了另外一個巨大的貢獻，他們發(fā)現(xiàn)，如果把規(guī)范場的初始設(shè)定稍微改一改，就可以用規(guī)范場來描述弱相互作用，這個貢獻后來也被稱為楊米爾斯理論。

后來，蓋爾曼又在楊米爾斯理論的基礎(chǔ)之上進一步拓展，這使得規(guī)范場理論還可以用來描述強相互作用。也就是說，科學(xué)家用了一套理論就描述了3種相互作用。

雖然規(guī)范場看起來很不錯，也被很多科學(xué)家所接受，可是在規(guī)范場無法解釋為什么基本粒子會有“質(zhì)量”？

具體來說就是在規(guī)范的理論框架當(dāng)中，我們可以把這種相互作用看成是把某種粒子來回扔的結(jié)果：

強相互作用就是把“膠子”來回扔；
弱相互作用就是把“W玻色子”和“Z玻色子”來回扔；
電磁力就是把“光子”。

可是雖然都是在扔“粒子”，但是“光子”和“膠子”卻沒有質(zhì)量，而“W玻色子”和“Z玻色子”卻是質(zhì)量的，那這到底是咋回事呢？還有，電子和夸克的質(zhì)量又是從哪來的呢？

著名的物理學(xué)家曾經(jīng)在楊振寧的公開演講中用這個問題為難楊振寧，讓楊振寧一度下不來臺，后來是原子彈之父奧本海默出面解圍。

實際上，這只是那個時代的一個縮影，幾乎當(dāng)時最頂尖的物理學(xué)家都為此而頭疼不已。他們甚至開始懷疑：是不是規(guī)范場理論錯了？

不過，還是有很多科學(xué)家堅持規(guī)范場理論是對的。為此，他們不得不提出一個新的假設(shè)，他們認為宇宙中應(yīng)該還存在著我們所不知道的“場”，這個“場”可以和粒子發(fā)生作用，并且賦予粒子不同的質(zhì)量，這個理論也被稱為希格斯機制，賦予粒子質(zhì)量的“場”叫做希格斯場。這個希格斯場布滿了整個宇宙空間。

那我們應(yīng)該如何理解希格斯機制呢？

我們可以把希格斯場比喻成一個廣場來。如果有個路人甲在人群中走過，其實沒有人會在意。但是，如果有一個大明星在人群中走過時，就會被粉絲們堵住，如果是超級天王，那會有更多的粉絲堵住。光子在希格斯場中就類似于在廣場上穿過的路人甲，它還能保持自己原來的速度穿過，也就是光速；而電子，夸克等離子就屬于大明星，所以它們在通過希格斯場時，就會被“堵住”，于是，速度就會減慢，并且獲得質(zhì)量。質(zhì)量越大的粒子就好比廣場中人氣更高的明星，堵得人越多，速度就放得越慢，因此，質(zhì)量也就越大。

不過，以上都只是科學(xué)家的猜想，要想證明還需要實驗觀測，我們可以通過觀測希格斯場的產(chǎn)物希格斯玻色子來證明。這就需要用到大型強子對撞機，2012年，歐洲核子研究中心就發(fā)現(xiàn)了一種新的玻色子，并且在2013年確定了這個新的玻色子就是希格斯玻色子，從而證明了希格斯機制是可信的，補充上了規(guī)范場中最后的一塊拼圖。