寻找万物的本源:质量从何而来?

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  质量是物理学的起点

  关于“质量到底是什么?”这个问题,自从现代科学发展起来,就一直困扰着科学家们。最早给“质量”下定义的是牛顿,他在自己的著作《自然哲学的数学原理》中,开篇就给质量下了定义:

  

物质的量是起源于同一物质的密度和大小联合起来的一种度量。

  

  我们要知道的是,《自然哲学的数学原理》被认为是物理学的起点,而“质量”又是《自然哲学的数学原理》的起点,因此,即使说“质量”是物理学的起点都一点不过分。

  在《自然哲学的数学原理》中,牛顿就提到了“极精确的摆的实验”,这个实验表明了:

  

质量和重量成正比。

  

  质量催生了化学

  到了18世纪末,法国化学家拉瓦锡发现:

  

化学反应前后物质的质量不变。

  

  也就是说,无论参与反应的物质如何变化,它们总体的质量是不变的。这也被称为:质量守恒定律。

  自从“质量守恒定律”被提出来,结合着道尔顿的“原子论”,化学开始成为一门可以定量分析的学科,正式成为了一门科学理论。所以,即使说“质量”是化学的起点,同样也不过分。

  

  也从这个时期开始,“原子论”让科学家相信,

  

物质是可以分解的,并且最终可以得到不可分割的基本粒子。

  不过,那个时代的科学家认为,这个“不可再分的基本粒子”就是原子。

  

  粒子物理学的发展

  为了证明“原子论”,科学家用实验要求证。只是万万没想到,原子并非是不可再分的。先是卢瑟福引领了一波“轰击”潮流,他本人轰击过原子,原子核。

  

  而后来的科学家更狠,直接用上了高能粒子加速器,用“野蛮冲撞”的形式去想要撞开质子。

  

  在一次次碰撞当中,他们硬是撞出了一个“粒子动物园”,前前后后发现了上百种粒子,最后构建起了一个粒子物理标准模型。

  

  基本粒子和质量

  只是越撞,物理学家越迷糊。我们可以思考一下,按照“原子论”的说法,也就是物质都是原子构成的。那么,

  物质的质量=原子的质量*原子的数量

  但由于,一般物质是有多种原子构成的,所以,其实是各种元素的“原子的质量*原子的数量”加起来,就是物质的质量。

  我们可以把物质进行简化,假设就是研究“氢气”的质量,其实就是:

  氢气的质量=氢原子的质量*氢原子的数量

  可是随着粒子物理的发展,我们发现,原子还可以再分成电子和原子核。如果还是研究氢气的质量,那就变成了:

  氢气的质量=电子的质量*电子的数量+原子核的质量*原子核的数量

  

  而原子核还能继续分成质子和中子。所以氢气的质量又变成了:

  氢气的质量=电子的质量*电子的数量+质子的质量*质子的数量+中子的质量*中子的数量

  接着呢?科学家又发现,质子和中子还可以再分成夸克。所以氢气的质量又变成了:

  氢气的质量=电子的质量*电子的数量+夸克的质量*夸克的数量

  

  好在有“夸克禁闭”,科学家没办法进行把夸克再分下去,否则真的是没完没了了。

  一位搅局的人

  但是,有个大神跑来搅局,这位大神就是爱因斯坦,他提出了著名的质能方程。

  

  在爱因斯坦发现,告诉我们一个道理,

  

质量和能量并不是独立存在的物理量。

  因此,物质的质量并不是简单的基本粒子的质量加和,还要考虑到把基本粒子结合到一起的能量。

  意外的结果

  他这一闹,其实反倒促进了人类对于质量的理解。于是,科学家开始研究各种结合能。

  1. 原子核和电子结合在一起的电磁能量只占原子质量的一亿分之一;

  2. 把质子和中子束缚在原子核内的核力的能量只占原子质量的1%;

  3. 质子和中子中的夸克也只原子质量的1%

  这时,科学家就纳闷了,质子和中子剩余的99%的质量到底去哪里?按照爱因斯坦的理论来看,这个质量只能是作用于夸克的力产生的能量。也就是“强力”产生的能量。

  

  也就是说,电子和夸克的质量只占总体质量极其小的比例(1%),剩下的都是强力产生的能量。

  惊不惊喜?意不意外?原来,万物的质量基本(99%)都是来自于束缚夸克的能量。我们只要通过E=MC^2,就可以换算出的质量。

  基本粒子的质量

  虽然,我们已经知道了大部分的质量来源,但还有个问题,那就是质子和中子的质量到底是咋来的?

  实际上,这个问题同样可以追问“电子的质量从哪来的?”,质子和中子是由夸克构成的,所以,我们可以合并成一个问题,“电子和夸克的质量是从哪来的?”

  为了解决这个问题,科学家彼得希格斯等人提出了希格斯玻色子理论。

  

  在这套理论中,科学家指出,

  1. 粒子可以通过与希格斯场之间相互作用获得质量;

  2. 希格斯场存在于整个宇宙中;

  3. 希格斯玻色子是希格斯场的振动。

  

  因此,最后的结果聚焦到了希格斯玻色子上,如果我们能够在粒子加速器中找到希格斯玻色子,那就说明,我们知道了基本粒子的质量来源。

  在欧洲大型强子对撞机LHC就一直在寻找希格斯玻色子。

  

  2013年3月14号,他们正式对外宣布探测到了新粒子:希格斯玻色子。

  

  当年的诺贝尔物理学奖就颁给了希格斯玻色子理论的希格斯与弗朗索瓦·恩格勒。

  

  希格斯玻色子一直以来都被称为“上帝粒子”,很多人都知道它是粒子物理标准模型的最后一块拼图,从诺贝尔奖的颁奖速度就可以见其重要性。

  可是,很多人对希格斯玻色子都有误会,很多人都认为物质的质量就是来自于希格斯玻色子,把它称为“万物的质量之源”。但这是不对的。

  但实际上,希格斯玻色子只和物质质量的1%有关,而99%的物质质量来源于强相互作用。

  以上就是粒子物理标准模型对于“物质的质量”的看法,也是目前主流的科学理论。

  不过,前面我们也说到了质能方程E=MC^2,这个公式可以说是最常见的物理学公式了。在很多场合,比如:核聚变和核裂变中,很多人常常这么描述:

  

核聚变/核裂变反应前后损失的一部分质量,根据质能方程,这部分质量转化成能量。

  这种说法是正确的呢?还是错误的呢?我们下期再详细说。

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