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宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

牛顿和爱因斯坦都没搞清楚!直到21世纪科学家终于解开了质量之谜

质量到底是什么?

牛顿的质量

牛顿第一定律描述:

任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。

牛顿第二定律描述:

物体加速度的大小跟作用力成正比,跟物体的质量成反比,即F=ma,a=F/m

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

这两句话翻译过来,假设宇宙中有一个不受任何力作用的星球,它以一个初速度在宇宙中飘荡着,如果它一直不受任何力的作用,那么这颗星球就会沿着初始的方向匀速运动下去,唯一能让它改变的外力。如果给星球装一个像《三体》中的发动机,当发动机持续给予星球一个恒定的力,力的作用效果会体现在速度改变上,力越大加速度a就越大,而同样的力如果作用在一个质量较小的星球上,加速度就会更大。因此按牛顿的描述质量是物质的一种量,这种量决定了物质受到外力时,改变运动状态的程度,质量保持物质原本的“习惯性”状态,因此第一定律也称为惯性定律,说了这么半天,实际上牛顿并没有解释质量到底是什么?质量到底是怎么来的?

爱因斯坦说质量就是能量

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

1905年,爱因斯坦连发了多篇创世纪的巅峰论文,杨振宁回顾说:

爱因斯坦引发了人类关于物理世界的基本概念—时间、空间、能量、光、物质—的三大革命。

其中一篇论文让我们对质量有了一个新的认识,该论文的题目是一个问题《一个物体的惯性是否与它所含的能量有关?》,论文中他自己给予了一个肯定的回答:一个物体的惯性质量是由该物体所含的能量决定的,质量就是能量。而能量与质量的关系就是大家所熟知的质能等效方程:

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E为能量,m为质量,c为光速约为30万公里/秒,这预示着微小的质量能释放出巨大的能量。下面是人类的第一颗氢弹“迈克”,在岛上测试的画面,这颗氢弹爆炸的能量仅仅是大约500克的物质被转化为纯能量。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

物质的构成

实际上,更严谨的说质量应该是能量的另外一种形式。质能等价源于爱因斯坦通过对《狭义相对论》质量与速度的关系的推导而来是一个物理与数学的结果,描述了质量是什么,但是还没有讲清楚质量为什么是能量,能量是什么来的,因此我们需要对物质进行拆解,看清楚物质最深处到底发生了什么。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

水由水分子构成,分子有原子构成,原子又由原子核与核外电子构成,当我们继续深入会发现原子的结果大部分是空的。在微观层面,电子距离原子核非常远,它的质量太小,可以忽略不计。由于对撞机的出现,人类发现虽然原子核中的质子与中子占据了物质大部分质量,但它们也是由更小的粒子组成。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

图:粒子标准物理模型,这里粒子构成了宇宙的万物

随着科学与科技水平的不断进步,人类发现的粒子越来越多,在2012年,我们发现了解释万物质量之源——希格斯玻色子。

四大力

这些粒子之间都遵守着各自的规则,会与自己有联系的粒子进行四大相互作用,这就是物质大部分能量的来源。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

电磁相互作用(电磁力),这个是我们最熟悉的,电子带负电,质子带正电。麦克斯韦统一了电磁学描述了变化的电磁会产生变化的磁场,变化的磁场又会产生变化的电场,电与磁产生电磁波,电磁波又是广义上的光,根据波粒二象性,光既是波又是粒子,因此我们可以看做电磁力实际上就是原子中光子被扔来扔去,进行电磁力的传递。我们日常生活主要的力都是电磁力。

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强相互作用(强力),上述我们说过中子、质子并非最小的粒子,每个质子(中子)都由三个夸克组成,有一种粒子就像胶水一样把三个夸克稳定住,既不会挨的太近,也不会离得太远。电磁学也称为电动力学,而强力的相互作用源于胶子与夸克之间的量子色动力学,简单理解为夸克把胶子扔来扔去,然后在扔胶子的时候自己会变色,具体源于夸克子内在性质,这里不深入了。由于强力可以把带正电的质子都给捆在一起,作用大于它们之间相互排斥,因此我们称之为强力。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

引力,传递引力的粒子——引力子人类目前还在苦苦寻找之中,你可以把引力子想象成物质就像两个人背对着坐在不同的船上,扔回旋镖,每次接到镖的作用就会向对方靠近。

弱相互作用(弱力),弱力我们较为熟悉就是核辐射。原子都是呈中性的,带正电的质子有多少,核外跟着的电子就要有多少。当原子很多时,核外的电子就越难以约束,原子就会衰变,其中有一种衰变称为β衰变,过程就是原子核俘获核外电子使一个质子通过夸克的颜色的改变,变成中子,或者中子释放电子形成质子,这过程需要通过玻色子来传递能量。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

能看到这里的都是战士,很繁琐,很费劲,科学家也是这么想的,因此他们也想能不能只用一种方式就能描述四大作用力,并且科学家发现质量问题并没有在这四大力中完美解决。

四大相互作用之间的排斥与粘合作用使万物有了组合的框架,构成了物质,但科学家通过对撞机得到作用力之间的能量,并通过E=mc^2把能量换算成质量时,发现强相互作用间的质量多了1%,那么只能是夸克身上还存在着某种能量,也就是夸克自己带有1%的质量,那么这个质量又是谁给的?

希格斯机制

“场”的概念源于数学家外尔,这是被寄予统一四大力的理论,因此称为“规范场”。它可以直接解释电磁场。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

杨振宁和米尔斯通过对规范场进行微调把弱相互作用囊括在内,称为杨米尔斯理论,也就有了弱力场。盖尔曼看到了杨米尔斯理论,灵光一闪在这杨米尔斯理论基础上又进一步微调,把强力也收录进来,有了胶子场。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

此时只剩下引力子还由《广义相对论》所描述,并且有很重要的一点,一开始大家认为所有基本粒子都是没有质量的,质量源于费米子在玻色子形成的场中运动。

而夸克本体质量的出现让科学家意识到粒子是自有质量的,而且它们还发现电子与传递弱力的W、Z玻色子也是有质量的,于是开始有科学家认为,在不同的场中,一定还有一个大场在源源不断地赋予粒子质量,只不过它存在一种机制,使部分粒子有质量,部分没有质量,这个机制就是希格斯机制。

宇宙最本质的问题,质量到底是什么?

2012年,欧洲核子研究中心在对撞机中发现了希格斯玻色子。希格斯机制简单理解就像是整个宇宙就像海洋中充满着希格斯“海水”(希格斯场),海水的冲击使粒子具有了一定的能量,粒子受到的冲击越大,粒子获得能量也就越大,体现出来的质量也就越大,而光子与胶子并不会受海水影响,因此光子可以宇宙中最极致的速度传递能量与信息,作用与否、大小取决于粒子内在的自旋和角动量。终于人类找到了万物质量最后一块拼图,解释了质量源于能量,能量源于粒子在场中运动。

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