质量之谜,一个宇宙的深邃课题,涉及的不仅仅是物理学的深度,更有着基础科学的核心之问。



让我们先回到基础:质量究竟是什么?一个初看之下显得简单的提问,要详尽阐述却颇为艰巨。

物理界有其独特的方式界定物理量——通过测量手段来定义。

于是乎,牛顿的第二定律,为我们提供了这样一种定义:一个物体受到的外力与其加速度呈正比,而质量,便是那个比例常数。

在万有引力公式里,质量又一次登场,这一次,它是一个更为复杂的比例因子。

上述两种定义中所提及的质量,就是我们通常所讲的惯性质量和引力质量。



而爱因斯坦之所以名垂千古,在于他揭示了一个惊人的真理——所谓的等效原理,即惯性质量与引力质量本质上无异,或者说,我们可以将引力视为不存在,而将引力效应视作物体处于非惯性系中。

此一深邃洞察,引领爱因斯坦推演出著名的广义相对论,描绘了引力如何弯曲时空的图景,并用数学公式来表达。1919年,天文学家观察到太阳附近的光线弯曲,证实了爱因斯坦的理论。



然而,我们对质量的理解依旧停留在表象层次,尚未触及质量的实质,我们更多是通过质量引发的物理效应来间接理解它,说穿了,我们并不明白为何万物皆有质量。

既然万物皆由基本粒子组成,若能弄清基本粒子的质量来源,便能知晓万物的质量之源。

事实上,对基本粒子的探究早已展开,且由此建立了标准模型,将纷繁复杂的粒子世界划分为两大类:费米子与玻色子。



费米子,即我们所熟悉的基本粒子,例如电子与夸克。而玻色子,则像胶水般将费米子结合,诸如光子、胶子等。

比喻来说,费米子如砖块,玻色子如水泥,两者结合构筑成宏观世界的高楼大厦。

然而,标准模型并非完美无缺,它有一严重的不足,曾让物理学家们陷入困境。规范玻色子W与Z,本不该有质量,但实验表明它们不仅有质量,且质量颇大。

若不能解释W与Z玻色子的质量之谜,则标准模型或规范理论的正确性将遭受质疑。

幸运的是,在W与Z玻色子被发现前,科学家已提出希格斯机制,该机制能赋予规范玻色子质量,同样适用于费米子。



一开始,希格斯机制仅是假想理论,尽管巧妙解释了基本粒子的质量,却备受质疑。原因在于,希格斯机制中必须存在希格斯粒子,而科学家们一直未能找到其存在的实证。

科学的进展依赖于实验,任何理论若无法经受实验的检验,无论它多么完美,科学家们都不会接受。同时,理论需做出预言,通过实验和观察来证实,理论才能得以立足。

终于,在2012年,科学家们在实验室中发现了希格斯粒子,这一重大发现为希格斯机制提供了实证。

那么,希格斯机制究竟是如何让万物获得质量的呢?



从专业的物理学角度解释可能稍显复杂,需要引入自发对称性破缺等概念及复杂的公式,为避免晦涩难懂,这里以通俗方式解释:原本,所有基本粒子都是无质量的,但引入希格斯粒子后,两者发生相互作用,如同我们在风中或水中奔跑受到阻力一样,由此获得质量。受到牵连越大,质量也越大。

然而,希格斯机制虽解释了基本粒子的质量,却未完全解答宏观物体的质量来源之谜。

中子和质子的质量,并非简单等同于其组成夸克的质量之和,这二者之间存在巨大差异。



我们知道中子质子由三个夸克构成,理论上讲,其质量应等同于三个夸克的质量,但实际上,三个夸克的质量仅占中子质子的1%,剩余的99%质量何来?

物理学家们后来发现,这99%的质量源自强相互作用,三个夸克通过强相互作用紧密束缚,形成了强大的束缚能,也是那丢失质量的来源。



强相互作用不仅将三个夸克束缚,也把中子质子束缚成原子核,这是核能的来源。

至此,我们似乎已明了万物的质量之源。然而,这只是冰山一角。

我们所了解的物质,仅占宇宙的5%,而暗物质和暗能量,它们才是宇宙的主宰。更令人不安的是,对于暗物质和暗能量,我们知之甚少。



暗物质的引力作用表现在我们的宏观世界,意味着它具有质量,但我们对这种质量的来源所知甚少。因此,人类对质量本质的探索,依旧任重而道远。

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