我們經常會稱自己的體重,尤其對愛美的女士來講,她們非常在意自己的體重。
你的體重是多少呢?對于中國人來講,通常用斤表示體重,比如說你的體重是100斤,斤就是質量單位。
不過這種對質量的測量和描述方式其實是不嚴謹的,因為我們測量的并不是自身的質量,只是地球對我們產生的引力大小。
而地球的引力會隨著位置的不同而發生變化,這意味著在不同的位置測量,就會得到不同的體重,這并不意味著你的質量發生了變化,變化的只是地球對你的引力。
在物理學上,質量指的是物體的量,是一個恒定不變量,無論在什麼情況下都保持不變。
同時,質量還有另外一個定義:慣性質量,衡量物體慣性大小的物理量。
但是上述對質量的定義給人的感覺相當模糊,也很抽象,并沒有具體描述出質量到底是什麼。而愛因斯坦的出現,讓我們看到的質量的本質。
愛因斯坦創建了相對論,其中的質能方程表明,質量與能量其實是等價的,兩者可以進行轉換,相當于一個東西的兩個面。
這是不是意味著質量其實就是能量呢?作為科普來講,可以這麼認為,但我還想說得更多,因為其中隱藏著更深的奧秘。
要想弄清楚質量到底是什麼,首先要明白質量到底是如何產生的。
我們都知道,宇宙萬物都是由基本粒子構成的,那麼,巨觀物體的質量與微觀粒子的質量總和應該是一樣的。
比如說,你我都是由原子組成的,而原子由原子核和電子組成,原子核由質子和中子組成,而質子和中子都是由三個夸克組成,不同的是,組成質子的是兩個上夸克和一個下夸克,而組成中子的是兩個下夸克和一個上夸克。
三個夸克之間通過強核力結合在一起,強核力是通過膠子來傳播強相互作用的,說白了,膠子就像膠水一樣緊緊地把夸克粘結在一起。
由于夸克禁閉,我們并不能觀察到夸克,夸克不能單獨存在,必須與別的夸克同時一起存在。
從微觀粒子的組成來看,質子或者中子的質量應該等于三個夸克的質量總和。但是科學家們發現并非如此,而事實上還差得很遠,因為三個夸克的質量總和只有質子質量的1%而已。
這就奇怪了,就相當于我們把一塊大石頭分成三塊小石頭,按理說大石頭的質量肯定等于三塊小石頭的質量總和,但實際上三塊小石頭的質量總和只有大石頭的1%。
剩下的99%質量到底哪里去了?
組成質子的三個夸克之間,通過膠子傳遞強相互作用連接在一起,膠子其實是沒有質量的,準確來講膠子沒有靜質量,這點與光子是一樣的。
雖然膠子沒有質量,但在傳遞強相互作用的過程中,可以形成巨大的「束縛能」,這種束縛能把三個夸克緊緊地束縛在一起,是非常強大的。
不僅僅夸克與夸克之間,核子(質子或中子)之間也是通過膠子傳遞強相互作用結合在一起的,說明核子之間也具有強大的「束縛能」,這種能量如此強大,以至于無論是把核子分開或者結合在一起,都需要極其強大的能量才行。
而核子之間的這種強大「束縛能」其實也是核能的源泉,核聚變釋放出來的巨大能量,其實就是核子之間的「束縛能」,通過強相互作用體現出來的能量。
根據愛因斯坦的質能方程,能量也會體現出質量。也就是說,我們的質量99%其實都是能量,強相互作用體現出來的能量。
但這里還有一個問題:那1%的質量又是哪里來的呢?也就是說夸克和電子等基本粒子的質量是哪里來的呢?
這時候就需要希格斯場和希格斯粒子登場了。
何為希格斯場?簡單說它就是宇宙的背景場,充滿了宇宙的每個角落,無處不在。希格斯場受到擾動就會形成希格斯粒子,而電子和夸克等基本粒子的質量就是通過希格斯粒子獲取的。
具體怎麼獲取的呢?
電子夸克等粒子會與希格斯粒子發生作用,從而發生減速,在減速的過程中獲得了質量。事實上,所有的基本粒子本應該都以光速運動,只不過大部分粒子在運動的過程中都會與希格斯粒子發生作用,從而慢下來,這個過程中就獲得了質量。正因為如此,希格斯粒子也被稱為「上帝粒子」。
打個比方,這就像你在大街上奔跑。如果你是普通人,基本上會暢通無阻,不會有任何阻礙,因為沒有人會在意你。但如果你是超級明星,肯定遭到大量粉絲的圍觀,造成人群擁擠,你就會受到很大的阻礙,別說跑了,可能連走都走不動。可以這麼通俗理解,受到的阻礙程度越高,質量也就越大。
而光子和膠子等基本粒子不會與希格斯粒子發生作用,所以它們以光速運動,必須以光速運動,而且一出生就以光速運動,沒有任何加速過程。
最后說點題外話。估計很多人還會有這樣的疑問:基本粒子,比如說電子和光子等到底是由什麼組成的呢?
目前認為,電子和光子等是不可分的基本粒子,它們本質上其實都是能量,說白了就是波,準確來講是「波包」,也就是「能量包」。
該如何理解呢?
根據量子場論,宇宙一開始并不是什麼都沒有,而是充滿了各種場的「混沌」狀態,比如說電磁場,希格斯場,中微子場,電子場等。當這些場處于基態時,具有能量最低值。而一旦處于基態的場受到擾動,就會從基態變成激發態,從而形成基本的粒子。
比如說,基態的電磁場受到擾動就會形成光子,而電磁波就是通過光子來傳遞的。
由此來看,世界的本質就是能量,質量只是能量的一種表現形式罷了,更本質的東西是能量!