宇宙萬物都有質量,但質量的本質是什麼?質量是如何產生的?
你現在體重多少?
春節過後,很多人會測量自己的體重,發現體重又增加了幾斤(公斤)。
這裡的斤或者公斤(千克)都是質量單位。但事實上這種對質量的測量描述方式並不嚴謹。
嚴格來講,我們平時測量的並不是我們自身的體重質量,我們測量到的只是地球對我們的引力大小。
這就意味着在地球的不同位置測量,你會得到不同的體重,因爲地球不同的位置引力並不完全相同,還有地球離心力也會對測量結果完成很大影響,而地球不同位置的離心力也不盡相同。
經典物理學認爲,物體的質量指的是物體的量,是一個恆定值。
同時,質量也是衡量物體慣性大小的物理量,所以也被稱爲慣性質量。
不過愛因斯坦對於質量的本質有着不同的看法。
愛因斯坦的質能方程告訴我們,質量和能量是等價的,兩者可以相互轉換。
那麼我們是不是可以說質量其實就是能量呢?
很多人會這樣說,到其實這種說法並不嚴謹。
我們需要弄清楚質量的本質,質量到底是如何產生的?
萬事萬物都是由最基本的微觀粒子組成的,所以,從量子世界來看,廣義上的物體質量指的是基本粒子擁有的質量,以及這些基本粒子之間的相互作用而產生的能量(質量)。
我們都知道,萬物都是由原子組成的,而原子由電子和原子核組成,原子核又是由質子和中子組成,而質子和中子是由夸克組成的。質子包含兩個上夸克和一個下夸克,中子包含一個上夸克和兩個下夸克。不同的夸克之間通過強相互作用結合在一起,通過膠子傳播這種強相互作用。夸克並不能單獨存在,必須和其他夸克一起存在,由於夸克禁閉,人們也無法觀察到夸克。
理論上,質子的質量應該等於三個夸克的質量,但實際上並不是這樣,而且相差很大。三個夸克的質量僅僅只有質子質量的不到1%,爲何會有如此大的差異?另外的99%的質量到底是如何產生的?
粒子標準模型告訴了我們答案,而這一切需要從希格斯場和希格斯粒子說起。
簡單講,夸克之間傳遞強相互作用的膠子並沒有質量(與傳遞電磁力的光子一樣,沒有靜質量),但是在傳遞強相互作用的過程中,膠子可以從希格斯場“借”來能量(質量)。
希格斯場,簡單來講就是充滿宇宙每個角落的宇宙背景場,希格斯場可以讓膠子(光子也是一樣)在傳遞強力的過程中獲得能量(質量)。
舉個通俗的例子,這就像你在人羣擁擠的地方奔跑,肯定會受到一定的阻礙,阻礙程度越高,你獲得的質量就越大。
那麼科學家如何確定希格斯場的存在呢?
需要尋找希格斯玻色子,一種希格斯場受到激發後的粒子。幸運的是,經過幾十年的努力,科學家終於通過大型粒子對撞機找到了希格斯玻色子,從而證實了希格斯場的存在。
總結一下,質量雖然有不同的表達方式,但本質上宇宙萬物都是由最基本的粒子構成的,而物體的質量包含兩個方面:基本粒子的質量,基本粒子之間的相互作用產生的質量。
平時我們所說的靜質量爲零的基本粒子,比如說光子和膠子等,可以通過希格斯場獲取質量(能量)。通俗地講,光子和膠子靜質量爲零,但它們都擁有動質量!