质量是万物的基本属性，但质量的本质是什么？为何会有质量？
来源：宇宙探索
发布日期：2023-02-24 09:53:21
质量到底什么？
牛顿的质量
【资料图】
牛顿第一定律描述：
任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。
牛顿第二定律描述：
物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，即F=ma，a=F/m
这两句话翻译过来，假设宇宙中有一个不受任何力作用的星球，它以一个初速度在宇宙中飘荡着，如果它一直不受任何力的作用，那么这颗星球就会沿着初始的方向匀速运动下去，唯一能让它改变的外力。如果给星球装一个像《三体》中的发动机，当发动机持续给予星球一个恒定的力，力的作用效果会体现在速度改变上，力越大加速度a就越大，而同样的力如果作用在一个质量较小的星球上，加速度就会更大。因此按牛顿的描述质量是物质的一种量，这种量决定了物质受到外力时，改变运动状态的程度，质量保持物质原本的“习惯性”状态，因此第一定律也称为惯性定律，说了这么半天，实际上牛顿并没有解释质量到底是什么？质量到底是怎么来的？
爱因斯坦说质量就是能量
1905年，爱因斯坦连发了多篇创世纪的巅峰论文，杨振宁回顾说：
爱因斯坦引发了人类关于物理世界的基本概念—时间、空间、能量、光、物质—的三大革命。
其中一篇论文让我们对质量有了一个新的认识，该论文的题目是一个问题《一个物体的惯性是否与它所含的能量有关?》，论文中他自己给予了一个肯定的回答： 一个物体的惯性质量是由该物体所含的能量决定的，质量就是能量。 而能量与质量的关系就是大家所熟知的质能等效方程：
E为能量，m为质量，c为光速约为30万公里/秒，这预示着微小的质量能释放出巨大的能量。下面是人类的第一颗氢弹“迈克”，在岛上测试的画面，这颗氢弹爆炸的能量仅仅是大约500克的物质被转化为纯能量。
物质的构成
实际上，更严谨的说质量应该是能量的另外一种形式。质能等价源于爱因斯坦通过对《狭义相对论》质量与速度的关系的推导而来是一个物理与数学的结果，描述了质量是什么，但是还没有讲清楚质量为什么是能量，能量是什么来的，因此我们需要对物质进行拆解，看清楚物质最深处到底发生了什么。
水由水分子构成，分子由原子构成，原子又由原子核与核外电子构成，当我们继续深入会发现原子的结果大部分是空的。在微观层面，电子距离原子核非常远，它的质量太小，可以忽略不计。由于对撞机的出现，人类发现虽然原子核中的质子与中子占据了物质大部分质量，但它们也是由更小的粒子组成。
图：粒子标准物理模型，这里粒子构成了宇宙的万物
随着科学与科技水平的不断进步，人类发现的粒子越来越多，在2012年，我们发现了解释万物质量之源——希格斯玻色子。
四大力
这些粒子之间都遵守着各自的规则，会与自己有联系的粒子进行四大相互作用，这就是物质大部分能量的来源。
电磁相互作用（电磁力） ，这个是我们最熟悉的，电子带负电，质子带正电。麦克斯韦统一了电磁学描述了变化的电磁会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生变化的电场，电与磁产生电磁波，电磁波又是广义上的光，根据波粒二象性，光既是波又是粒子，因此我们可以看做电磁力实际上就是原子中光子被扔来扔去，进行电磁力的传递。我们日常生活主要的力都是电磁力。
强相互作用（强力） ，上述我们说过中子、质子并非最小的粒子，每个质子（中子）都由三个夸克组成，有一种粒子就像胶水一样把三个夸克稳定住，既不会挨的太近，也不会离得太远。电磁学也称为电动力学，而强力的相互作用源于胶子与夸克之间的量子色动力学，简单理解为夸克把胶子扔来扔去，然后在扔胶子的时候自己会变色，具体源于夸克子内在性质，这里不深入了。由于强力可以把带正电的质子都给捆在一起，作用大于它们之间相互排斥，因此我们称之为强力。
引力， 传递引力的粒子——引力子人类目前还在苦苦寻找之中，你可以把引力子想象成物质就像两个人背对着坐在不同的船上，扔回旋镖，每次接到镖的作用就会向对方靠近。
弱相互作用（弱力）， 弱力我们较为熟悉就是核辐射。原子都是呈中性的，带正电的质子有多少，核外跟着的电子就要有多少。当原子很多时，核外的电子就越难以约束，原子就会衰变，其中有一种衰变称为β衰变，过程就是原子核俘获核外电子使一个质子通过夸克的颜色的改变，变成中子，或者中子释放电子形成质子，这过程需要通过玻色子来传递能量。
能看到这里的都是战士，很繁琐，很费劲，科学家也是这么想的，因此他们也想能不能只用一种方式就能描述四大作用力，并且科学家发现质量问题并没有在这四大力中完美解决。
四大相互作用之间的排斥与粘合作用使万物有了组合的框架，构成了物质，但科学家通过对撞机得到作用力之间的能量，并通过E=mc^2把能量换算成质量时，发现强相互作用间的质量多了1%，那么只能是夸克身上还存在着某种能量，也就是夸克自己带有1%的质量，那么这个质量又是谁给的？
希格斯机制
“场”的概念源于数学家外尔，这是被寄予统一四大力的理论，因此称为“规范场”。它可以直接解释电磁场。
杨振宁和米尔斯通过对规范场进行微调把弱相互作用囊括在内，称为杨米尔斯理论，也就有了弱力场。盖尔曼看到了杨米尔斯理论，灵光一闪在这杨米尔斯理论基础上又进一步微调，把强力也收录进来，有了胶子场。
此时只剩下引力子还由《广义相对论》所描述，并且有很重要的一点，一开始大家认为所有基本粒子都是没有质量的，质量源于费米子在玻色子形成的场中运动。
而夸克本体质量的出现让科学家意识到粒子是自有质量的，而且它们还发现电子与传递弱力的W、Z玻色子也是有质量的，于是开始有科学家认为，在不同的场中，一定还有一个大场在源源不断地赋予粒子质量，只不过它存在一种机制，使部分粒子有质量，部分没有质量，这个机制就是希格斯机制。
2012年，欧洲核子研究中心在对撞机中发现了希格斯玻色子。希格斯机制简单理解就像是整个宇宙就像海洋中充满着希格斯“海水”（希格斯场），海水的冲击使粒子具有了一定的能量，粒子受到的冲击越大，粒子获得能量也就越大，体现出来的质量也就越大，而光子与胶子并不会受海水影响，因此光子可以宇宙中最极致的速度传递能量与信息，作用与否、大小取决于粒子内在的自旋和角动量。终于人类找到了万物质量最后一块拼图，解释了质量源于能量，能量源于粒子在场中运动。
