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宇宙万物都有质量,但关于质量的起源是一个相当深奥的问题。

首先一个问题就是:质量到底是什么?这样一个看似简单的问题,要具体回答确实是比较困难的。

不过在物理学界,定义某个物理量最好的方式,就是给出测量该物理量的方法。

于是,牛顿第二定律就给出了这样的定义,任何物体受到的外力与其产生的加速度成正比,而质量就是比例系数。

而在万有引力公式中,质量也是一个比例系数,只不过是更为复杂的比例系数。

而上面两个方式定义的质量,其实就是平时我们所讲的惯性质量和引力质量。

而爱因斯坦同学之所以伟大,就在于他洞察出了一个深刻原理,所谓的“等效原理”,认为惯性质量和引力质量是等价的,或者说可以假设引力不存在,把引力等效为一个局域里物体处在非惯性系中。

而正是这个深刻的洞察,让爱因斯坦提出了伟大的引力场方程,给出了引力的集合图像,用数学语言描述质量可以弯曲周围的时空。而1919年天文学家们观察到了光线经过太阳附近时发生弯曲,也证实了爱因斯坦的理论。

但是,以上对质量的描述,其实都还是停留在抽象层面,并没有具体描述质量到底是什么,更多的只是根据质量引发的物理效应间接理解质量,说白了,我们并不知道万物为什么会有质量。

由于万物都是由基本粒子组成的,那么只要我们弄明白基本粒子的质量来源,自然就知道了万物为何有质量了。

实际上,物理学家对基本粒子的研究早就开始了,还因此建立了粒子标准模型,把看起来杂乱无章的粒子分为了两大类,分别是:费米子和玻色子。

费米子就是平时我们所讲的基本粒子,比如说电子和夸克。而玻色子是把费米子连接起来的粒子,作用就像胶水那样,比如说光子,胶子等都是玻色子。

打个比方,费米子就像砖头,而玻色子就像水泥,把砖头粘结起来就建成了宏观的高楼大厦。

不过,粒子标准模型并不完美,甚至有一个严重的缺陷,一度严重困扰物理学家。作为规范粒子,W和Z玻色子不应该有质量,就像胶子和光子都是规范粒子都没有质量,但物理学家通过实验发现,W和Z玻色子不但有质量,而且质量还很大。

如果物理学家不能解决W和Z玻色子为什么有质量的问题,就意味着粒子标准模型或者规范理论肯定存在问题,相应的物理理论都会被推翻。

好在W和Z玻色子被发现之前,有物理学家就提出了一个著名的机制,伟大的希格斯机制,这个机制可以赋予规范粒子质量,同时也能赋予费米子质量。

一开始作为一个假想理论,希格斯机制虽然看起来很巧妙,解释了基本粒子的质量问题,但一度给物理学家们质疑,为什么呢?

主要是希格斯机制中必须存在一个新的粒子,希格斯粒子,正是希格斯粒子赋予了基本粒子以质量,但物理学家们一直没有找到希格斯粒子存在的证据,在实验室中一直没有发现。

科学的发展正是这样的,一切都必须以实验为基础,经得起实验考证。否则不管一个理论看起来有多完美,科学家们都不会相信。同时一个理论也需要做出一些预言,然后科学家可以根据实验和观察证实预言,最终这个理论才可能保留下来。

好在物理学家们一直没有放弃寻找希格斯粒子,终于在2012年有了重大转机。物理学家们在实验室中发现了希格斯粒子,在大型粒子对撞机中找到的。

那么,希格斯机制到底是如何赋予万物质量的呢?

从专业物理学上解释,可能比较复杂,涉及到自发对称性破缺等术语,还有一些复杂的公式,就不详述了,我看了半天其实也似懂非懂,就不班门弄斧,以免误导大家。这里就以通俗的方式来解释希格斯机制。

简单讲,所有的基本粒子本应该都是没有质量的,而当我们引入希格斯粒子之后,希格斯粒子会与基本粒子发生相互作用,等同于基本粒子受到的牵连,就像我们在大风中奔跑会受到空气的牵连,在游泳池中会受到水的牵连一样,而受牵连的过程就获得了质量。而且,受牵连的程度越大,质量也就越大。

希格斯机制解释了基本粒子为什么有质量,但并没有完全解释宏观物体的质量来源,这是什么意思呢?

希格斯机制确实解释了夸克和电子等基本粒子为什么有质量,但是物理学家们发现了一个奇怪的现象:中子和质子的质量并不等于三个夸克的质量总和,而且相差很大。

我们都知道质子和中子都是由三个夸克组成的,按道理讲,质子中子的质量应该正好等于三个夸克的总质量,但事实并非如此,而且相差很大,三个夸克的质量总和竟然只占了质子中子质量的1%而已,剩下的99%质量在哪里?

后来,物理学家们找到了那99%质量的来源,来自强相互作用。三个夸克之间通过强相互作用紧紧束缚在一起,由此形成了强大的能量,我们可以把这种能量通俗理解为束缚能。

强相互作用带来的能量非常强大,不但把三个夸克束缚在一起,还把中子质子束缚在一起形成原子核,这种能量也是核能的来源。

到这里,我们终于知道了宇宙万物的质量起源。但如果你真这么认为,就大错特错了。为什么?

因为我们探索到的物质,其实是恒星物质,只占了整个宇宙的5%而已,剩下的95%是暗物质和暗能量,它们才是宇宙的主宰。可怕的是,科学家们对于暗物质和暗能量几乎一无所知。

暗物质的引力作用可以表现在我们的宏观世界,意味着暗物质也有质量,但我们对这种质量的来源一无所知。因此,人类对质量本质的探索之路还很漫长,才刚刚开始!

原文链接:https://www.toutiao.com/article/7353420591174779444

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