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万物都有质量,但是质量到底是如何产生的呢?

我们经常会称自己的体重,尤其对爱美的女士来讲,她们非常在意自己的体重。


【资料图】

你的体重是多少呢?对于中国人来讲,通常用斤表示体重,比如说你的体重是100斤,斤就是质量单位。

不过这种对质量的测量和描述方式其实是不严谨的,因为我们测量的并不是自身的质量,只是地球对我们产生的引力大小。

而地球的引力会随着位置的不同而发生变化,这意味着在不同的位置测量,就会得到不同的体重,这并不意味着你的质量发生了变化,变化的只是地球对你的引力。

在物理学上,质量指的是物体的量,是一个恒定不变量,无论在什么情况下都保持不变。

同时,质量还有另外一个定义:惯性质量,衡量物体惯性大小的物理量。

但是上述对质量的定义给人的感觉相当模糊,也很抽象,并没有具体描述出质量到底是什么。而爱因斯坦的出现,让我们看到的质量的本质。

爱因斯坦创建了相对论,其中的质能方程表明,质量与能量其实是等价的,两者可以进行转换,相当于一个东西的两个面。

这是不是意味着质量其实就是能量呢?作为科普来讲,可以这么认为,但我还想说得更多,因为其中隐藏着更深的奥秘。

要想弄清楚质量到底是什么,首先要明白质量到底是如何产生的。

我们都知道,宇宙万物都是由基本粒子构成的,那么,宏观物体的质量与微观粒子的质量总和应该是一样的。

比如说,你我都是由原子组成的,而原子由原子核和电子组成,原子核由质子和中子组成,而质子和中子都是由三个夸克组成,不同的是,组成质子的是两个上夸克和一个下夸克,而组成中子的是两个下夸克和一个上夸克。

三个夸克之间通过强核力结合在一起,强核力是通过胶子来传播强相互作用的,说白了,胶子就像胶水一样紧紧地把夸克粘结在一起。

由于夸克禁闭,我们并不能观察到夸克,夸克不能单独存在,必须与别的夸克同时一起存在。

从微观粒子的组成来看,质子或者中子的质量应该等于三个夸克的质量总和。但是科学家们发现并非如此,而事实上还差得很远,因为三个夸克的质量总和只有质子质量的1%而已。

这就奇怪了,就相当于我们把一块大石头分成三块小石头,按理说大石头的质量肯定等于三块小石头的质量总和,但实际上三块小石头的质量总和只有大石头的1%。

剩下的99%质量到底哪里去了?

组成质子的三个夸克之间,通过胶子传递强相互作用连接在一起,胶子其实是没有质量的,准确来讲胶子没有静质量,这点与光子是一样的。

虽然胶子没有质量,但在传递强相互作用的过程中,可以形成巨大的“束缚能”,这种束缚能把三个夸克紧紧地束缚在一起,是非常强大的。

不仅仅夸克与夸克之间,核子(质子或中子)之间也是通过胶子传递强相互作用结合在一起的,说明核子之间也具有强大的“束缚能”,这种能量如此强大,以至于无论是把核子分开或者结合在一起,都需要极其强大的能量才行。

而核子之间的这种强大“束缚能”其实也是核能的源泉,核聚变释放出来的巨大能量,其实就是核子之间的“束缚能”,通过强相互作用体现出来的能量。

根据爱因斯坦的质能方程,能量也会体现出质量。也就是说,我们的质量99%其实都是能量,强相互作用体现出来的能量。

但这里还有一个问题:那1%的质量又是哪里来的呢?也就是说夸克和电子等基本粒子的质量是哪里来的呢?

这时候就需要希格斯场和希格斯粒子登场了。

何为希格斯场?简单说它就是宇宙的背景场,充满了宇宙的每个角落,无处不在。希格斯场受到扰动就会形成希格斯粒子,而电子和夸克等基本粒子的质量就是通过希格斯粒子获取的。

具体怎么获取的呢?

电子夸克等粒子会与希格斯粒子发生作用,从而发生减速,在减速的过程中获得了质量。事实上,所有的基本粒子本应该都以光速运动,只不过大部分粒子在运动的过程中都会与希格斯粒子发生作用,从而慢下来,这个过程中就获得了质量。正因为如此,希格斯粒子也被称为“上帝粒子”。

打个比方,这就像你在大街上奔跑。如果你是普通人,基本上会畅通无阻,不会有任何阻碍,因为没有人会在意你。但如果你是超级明星,肯定遭到大量粉丝的围观,造成人群拥挤,你就会受到很大的阻碍,别说跑了,可能连走都走不动。可以这么通俗理解,受到的阻碍程度越高,质量也就越大。

而光子和胶子等基本粒子不会与希格斯粒子发生作用,所以它们以光速运动,必须以光速运动,而且一出生就以光速运动,没有任何加速过程。

最后说点题外话。估计很多人还会有这样的疑问:基本粒子,比如说电子和光子等到底是由什么组成的呢?

目前认为,电子和光子等是不可分的基本粒子,它们本质上其实都是能量,说白了就是波,准确来讲是“波包”,也就是“能量包”。

该如何理解呢?

根据量子场论,宇宙一开始并不是什么都没有,而是充满了各种场的“混沌”状态,比如说电磁场,希格斯场,中微子场,电子场等。当这些场处于基态时,具有能量最低值。而一旦处于基态的场受到扰动,就会从基态变成激发态,从而形成基本的粒子。

比如说,基态的电磁场受到扰动就会形成光子,而电磁波就是通过光子来传递的。

由此来看,世界的本质就是能量,质量只是能量的一种表现形式罢了,更本质的东西是能量!

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