作者：天體生物學(xué)·黃姤
一個充滿禪意表達(dá)一個哲理的詞語“色即是空”，這里面的“色”指的是物體也就是實實在在的物質(zhì)，而“空”代表什么都沒有，這個詞語表面的意思就是“看上去實實在在的物體實際上什么都沒有”。
實際上現(xiàn)代物理學(xué)越往深處研究就越發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實的世界也是這個樣子的，現(xiàn)代的物理學(xué)中大部分的物質(zhì)都是空的，構(gòu)成物質(zhì)的原子，大部分的質(zhì)量都集中在微小的原子核里，而在原子核和電子之間大部分的空間都是空的。在一個原子里原子核的質(zhì)量占了99%以上，但是它在原子里所占的空間，就好像一顆星星在宇宙里面所占的空間一樣。
圖解：原子結(jié)構(gòu)
我們生活在地球上，每個人都能感覺到質(zhì)量的存在，對于我們來說，質(zhì)量就直接關(guān)系到我們受到地球的引力，表面出來的結(jié)果就是一個物體的重量，如果我們?nèi)狈﹀憻?，?jīng)常暴飲暴食，體重就會增加，用嚴(yán)格一點的表述來說，就是我們的質(zhì)量增加了，當(dāng)我們自己作為一個物體質(zhì)量增加的時候，肯定會去分析是身體多了哪些部分，一般來說增加的部分就是脂肪，細(xì)想一下增加了多少脂肪，作為身體的一個整體，就增加了多少質(zhì)量，這是非常符合直觀的。但是說到這我們還要再強調(diào)一次，越是符合直觀的東西，越有可能違背最基本的物理定律，下面重新來審視一下這個問題。
一個有質(zhì)量的東西，它的質(zhì)量是不是等于各部分之和呢？如果把一個蘋果切成兩半，那么原來這個蘋果的總質(zhì)量就應(yīng)該等于被切開的這2塊蘋果質(zhì)量的總和，如果把蘋果切成4塊，它的質(zhì)量就是4塊質(zhì)量的總和，按照這樣推算下去，如果你把它切成n塊，就可以把這n塊的質(zhì)量相加得出它的總質(zhì)量，在大多數(shù)情況下這個是對的，但如果把一個蘋果切得足夠小，比如讓n>10^23（10的后面帶23個“0”），一旦超過了這個數(shù)情況就不一樣了。
先來說一下，在物理學(xué)上對“質(zhì)量”的嚴(yán)格定義：
質(zhì)量，它是抵抗物體速度發(fā)生改變的一個性質(zhì)，如果去推一個東西，它就會加速，如果用同樣的力氣去推另一個東西，另一個東西加速起來比較困難，那第二個東西的質(zhì)量比第一個東西的質(zhì)量要大。
舉例說明：在很光滑的冰面上推一輛黃包車，和去推一輛坐了人的黃包車，所花的力氣也是不一樣的。
一個坐了人的黃包車比一輛空的黃包車質(zhì)量要大，但是質(zhì)量大并不是一個東西更難推動的根本原因，我們的理解應(yīng)該是反過來的，就是只要一個東西更難推動，我們就定義它的質(zhì)量更大，這個表象把它定義為質(zhì)量，在這里定義的質(zhì)量叫做“慣性質(zhì)量”，這是因為物體對于加速度的抵抗，通常被稱為“慣性”。
現(xiàn)在回到切蘋果這件事上，當(dāng)把蘋果切的非常小，切到原子級別的時候，原本束縛蘋果原子的結(jié)合能被打破了，那么被切成小碎塊的蘋果的總質(zhì)量就會減少，實際上當(dāng)把一個蘋果切成兩半的時候，它的質(zhì)量就已經(jīng)變少了，只不過它減少的量實在是太微小了，所以注意不到它，但是如果把一個蘋果切到了原子的級別，然后去測量每一個原子的質(zhì)量，然后把這些質(zhì)量相加，最后和原來蘋果的總質(zhì)量去做對比，就會發(fā)現(xiàn)這里面質(zhì)量變少了，這個不是計算的結(jié)果，而是在實驗室里實實在在觀測到的現(xiàn)象。
當(dāng)然切蘋果這個例子，質(zhì)量的損失還是比較小的，因為一個蘋果它總體的質(zhì)量并不大，在這個實驗里面，如果把蘋果切成原子，再把原子切成質(zhì)子、中子和電子，這個過程中會損失多少質(zhì)量呢？
大概會損失0.001%。
如果一開始切的對象就是很小的粒子，那情況就完全不一樣了，比如把一個質(zhì)子分割成夸克（上夸克和下夸克）在這個過程中會看到巨大的質(zhì)量差，這個質(zhì)量的差如此巨大，以至于會發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子大部分的質(zhì)量都來自于束縛夸克的結(jié)合能，切割后夸克的質(zhì)量和原來質(zhì)子的質(zhì)量，它的比例大概是多少呢？約是1%，其余的99%都來自于使夸克聚集在一起的能量，換句話說，儲存在粒子之間這些結(jié)合件中的能量比物體各部分的質(zhì)量的總和要大的多，達(dá)到兩個數(shù)量級這么多，這個完全不符合人們的直覺。
舉例說明：
10臺手機，分別測量它們的質(zhì)量，然后就可以直接計算出這10臺手機總共的質(zhì)量，這很簡單對吧，可是如果把這10臺手機放到一個能量非常大的爐子里，然后用非常大的能量把這10臺手機擠壓在一起，變成一臺新的手機，這臺新的手機，它的質(zhì)量比原來10臺手機加起來的質(zhì)量要大很多，這里的原因就在于新的手機質(zhì)量不僅來自于原來手機的質(zhì)量，還來自于把它們束縛在一起的能量，這臺手機的總質(zhì)量不僅僅包括它各個部分的質(zhì)量，還包括使這些部分維持在一起的能量。
為什么質(zhì)量大多數(shù)來自于這些能量呢？
說實話不知道，科學(xué)家們真的不知道這種能量為什么會影響物體對“力”的反應(yīng)，推一個物體的時候只會直接感受到它物質(zhì)的重量，而不會感受到它里面的能量，這個就是質(zhì)量最大的謎團，盡管可以測量一個物體的質(zhì)量，但真的不知道慣性是什么，也不知道它和質(zhì)量能量之間為什么有這種奇特的聯(lián)系，這個就像我們知道光速是這個宇宙的極限，但我們不知道為什么要有這種極限。
質(zhì)子和中子可以分解成上夸克和下夸克，但是要知道這個夸克它可不是什么具體的東西，實際上根本就沒有所謂東西這樣的東西，到了夸克這個級別，實體的東西在物理概念里面是不存在的。在目前的理論里，粒子實際上是空間中不可分割的一個點，在理論上它們處在三維空間一個無限小的位置上，它的體積是“0”，也就是它們沒有大小，沒有大小意味著什么呢？
我們每一個人都是由粒子構(gòu)成的，但是每一個粒子所占的空間又是“0”，這個不意味著物體的大部分是空的，而是說物體的整個就是空的。
物理學(xué)中沒有東西這個定義是什么意思？
一個東西它有質(zhì)量、有體積，質(zhì)量除以體積就是它的密度，那一個電子它的密度是多少呢，這個問題就沒法回答了，因為一個電子它是有質(zhì)量的，但是它的體積又是“0”，用質(zhì)量除以體積“0”是不能作為分母的，也就是說一個電子的密度它是沒有定義的。
“上夸克”和“頂夸克”，這兩個夸克它們帶的電荷相同，自旋的情況也相同，它們所受到的基本力也相同，它們只有一個物理量不相同就是——質(zhì)量，它們的質(zhì)量相差非常多，頂夸克的質(zhì)量是上夸克的75000倍，如果作為一個常規(guī)物質(zhì)去理解它，那你就會想，肯定是頂夸克的密度比上夸克的密度大，但是物理學(xué)的定義它們所占有的空間都是“0”。
為什么它們中有一個質(zhì)量那么大，而另外一個卻不包含更多的物質(zhì)呢？
這是因為粒子不是像我們?nèi)粘Ｉ钪欣斫獾娜魏螙|西，當(dāng)用看待日常物體的目光去看待基本粒子的時候，就會出現(xiàn)這樣的悖論，我們很容易把粒子想象成一個微小的小球，它有一定的體積也有一定的質(zhì)量，但其實真實的粒子并不是這樣的，我們甚至不知道真實的粒子它到底是什么樣子的，因為要知道一個物體是什么樣子的，總得看到它，但是當(dāng)把一個粒子拆分成非常小的顆粒的時候，它的直徑比光的波長還要小很多倍，根本就沒法通過發(fā)射一道光來看到它，如果你非要問，粒子它到底是一個什么樣子呢，這個問題不僅物理學(xué)家沒法回答，甚至也是沒有意義的，在量子力學(xué)里面這些微小的粒子是在一個怪誕的場里面的一個小波動，這個波動是彌漫在整個宇宙里的，這就意味著小球模型根本就解釋不了它們遵循的規(guī)律。
一個粒子所處的位置它是遵循概率的，可以有99%的概率在你身邊周圍的空間里找到這個粒子，找不到它的概率也有非常低的，甚至低于0.0......1%。
一個微小的粒子可以有一定的概率穿過任何物體，不需要借助任何的外力，微小粒子的行為實在是太奇怪了，在現(xiàn)代物理學(xué)的研究里，粒子的模型早已經(jīng)失效了。
一個光子它是沒有質(zhì)量的，所以它才可以達(dá)到光速，但是一個光子它既沒有體積也沒有質(zhì)量，它要怎么可能是一個東西呢，一個東西它必須有物質(zhì)，也就是必須有質(zhì)量，那必然會得出一個結(jié)論，沒有質(zhì)量的粒子是不存在的。
質(zhì)量不是一個物體內(nèi)在的一個屬性，而是我們?nèi)藶榈慕o它標(biāo)上的一個標(biāo)記，這么去想象質(zhì)量非常的困難，但其實在其他的領(lǐng)域早已經(jīng)這樣做了。
比如一個粒子所攜帶的電荷的時候，電子有負(fù)電荷，質(zhì)子有正電荷，那么這個電荷它到底是什么呢？它到底在電子和質(zhì)子里面的什么位置呢？這個電荷是被攜帶在電子的表面還是它的內(nèi)部？是什么東西把電荷給了電子呢？既然電子的體積已經(jīng)是“0”了，它有那么多的空間來容納這個電荷嗎？實際上并沒有人去問這些問題，因為電荷并不是電子所攜帶的真實的東西，它只是觀察電子的時候發(fā)現(xiàn)的一個現(xiàn)象，然后我們把這個現(xiàn)象貼上了一個數(shù)學(xué)的標(biāo)記，如果用同樣的方式來思考質(zhì)量就說的通了，電荷意味著一個粒子可以受到電場的影響，那么質(zhì)量就意味著一個粒子它可以受到重力場的影響，一個物體的電荷數(shù)就決定了它在同樣的電磁場里面會受到多強的作用力，與此類似的一個粒子的質(zhì)量就給了它自身一個慣性，也就是在重力場里面阻抗運動的一個特性，頂夸克比上夸克質(zhì)量大很多，這并不意味著頂夸克還有更多質(zhì)量的物質(zhì)，而是說頂夸克在整個重力場中比上夸克更加難以移動，它的慣性更大，這只是一個標(biāo)記而已，一個粒子和“希格斯場”相互作用產(chǎn)生的慣性，也就是這個粒子的質(zhì)量。
“希格斯玻色子”，在說這個“希格斯玻色子”之前，要先說一下傳遞力的粒子，物質(zhì)被分為12種基本粒子，它們都是屬于物質(zhì)這個范疇的，但是宇宙里面除了實實在在的物質(zhì)，還存在4種基本的力，這4種基本的力就是——引力、電磁力、強核力和弱核力，那這4種基本能力是通過什么東西傳遞的呢？那么傳遞力的粒子都是什么呢？
傳遞力也是需要粒子的，傳遞電磁力的粒子就是“光子”，傳遞強核力的粒子叫做“膠子”，傳遞弱核力的粒子叫“玻色子”，“玻色子”又分為“W玻色子”和'Z玻色子”，直到現(xiàn)在一直沒有找到傳遞引力的粒子，但是科學(xué)家就是特別擅長列表格，他們列出了一個表格，發(fā)現(xiàn)這個位置差一個粒子，于是科學(xué)界拼命地在找它，所以當(dāng)“希格斯玻色子”被發(fā)現(xiàn)的時候，紐約時報稱這是科學(xué)進(jìn)程可以提供給現(xiàn)代文明的最好例證，用科學(xué)理論列出了一張表格，當(dāng)還根本沒有發(fā)現(xiàn)一個粒子存在的時候就預(yù)言了它的存在，這也證實了尋找規(guī)律的過程可以引導(dǎo)我們理解宇宙，尋找“希格斯玻色子”的過程這里就不詳細(xì)說了，這個過程非常的曲折，簡單來說這個想法來自于對傳遞力的粒子，對這些粒子的規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，它們有的東西沒有質(zhì)量，比如光子，而有的東西質(zhì)量卻非常大，比如“希格斯玻色子”，那它們都是用來傳遞力的，為什么有的沒有質(zhì)量，有的質(zhì)量卻很大呢？
一位叫“彼得·希格斯”的科學(xué)家和其他幾位物理學(xué)家研究了好長一段時間，終于在數(shù)學(xué)上找到了一個自圓其說的辦法，也就是純粹用數(shù)學(xué)的方式加一些參數(shù)進(jìn)去，他們給方程里面添加了一個粒子，也就是“希格斯玻色子”，又添加了一個力場，這個立場有點類似于電磁場，把這個場命名為“希格斯場”，然后他們把質(zhì)量當(dāng)做粒子的標(biāo)記，這個標(biāo)記定義了有的粒子的質(zhì)量比其他粒子的大，這只是人們在數(shù)學(xué)上的定義，這并不意味著人們發(fā)現(xiàn)了某些粒子比另外一些粒子多了些東西。
解釋一下“希格斯場”
假設(shè)有一個彌漫在整個宇宙的力場，這個力場它的作用不吸引或者排斥任何東西，它唯一的作用就是使粒子更難加速或者更難減速，這個力場所表現(xiàn)出來的效果就是物質(zhì)的慣性質(zhì)量，那么一個粒子與這個力場相互的作用越多，它表現(xiàn)出來的慣性也就越大，一個粒子和“希格斯場”相互作用產(chǎn)生的慣性，也就是這個粒子的質(zhì)量，有些粒子和這個場的作用比較強，這就意味著它們要費很大的力氣才能加速，那這些粒子的質(zhì)量就比較大。也有一些粒子，幾乎不受到這個場的影響，所以它能輕松的加速，這些物體表現(xiàn)出來的就是幾乎沒有質(zhì)量。
為什么不同的粒子會有不同的質(zhì)量呢？
“希格斯”理論給出的解答就是，因為“希格斯場”對不同粒子自帶的一個性質(zhì)，這個理論并沒有告訴我們物質(zhì)粒子的質(zhì)量遵循一個什么樣的規(guī)律，為什么不同粒子它的質(zhì)量不一樣，這就好像每種粒子它的質(zhì)量是隨機貼上去的一個標(biāo)記，即便它們的質(zhì)量都變了，整個理論框架也不會出現(xiàn)問題，就“希格斯”理論本身來說，物質(zhì)粒子的質(zhì)量就是隨意設(shè)定的一個參數(shù)，想取什么值就取什么值。當(dāng)一些粒子呈現(xiàn)某一種規(guī)律的時候，它很可能是由更基本的粒子構(gòu)成的，也許未來的科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)更基本的粒子和更基本的規(guī)律，是這些規(guī)律讓夸克呈現(xiàn)出不同質(zhì)量只不過目前這些規(guī)律還沒發(fā)現(xiàn)而已。
測質(zhì)量有兩種方法：
第1種：測量它的慣性、
也就是去推一個物體是不是容易被加速。
第2種：稱物體的重量、
本質(zhì)上是測量地球?qū)σ粋€物體的吸引力的大小，一個東西的質(zhì)量越大，地球?qū)λ奈驮綇姟?/p>
粒子的情況，當(dāng)兩個粒子有電荷的時候，它們就能相互吸引，這個電荷數(shù)量越大，它們相互吸引的作用力就越強，同樣，當(dāng)兩個粒子有質(zhì)量的時候，它們相互之間的引力就和質(zhì)量成正比。
引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量它到底是不是一回事呢？
從本質(zhì)上講它們可真的不是一回事，在我們的理論和想象里，慣性質(zhì)量是“希格斯場”對一個粒子的影響，它說明的是一個粒子在“希格斯場”一個粒子被傳遞強核力的粒子“膠子”粘住的時候，它就更難加速，當(dāng)一個粒子很光滑，不怎么被“膠子”粘住的時候，它的慣性質(zhì)量就低。
引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量可是不一樣，因為在這個理論里面引入的場都是不一樣的，在這里引用的是一個“引力場”的概念，在這個場里面一個粒子的質(zhì)量大小是它受到另外一個物體吸引強弱地表現(xiàn)，在地球表面由地球這么大質(zhì)量的物體形成了一個引力場一個粒子受支地球引力越強，它的引力質(zhì)量越大，但是科學(xué)就是這么的奇怪，當(dāng)利用這兩種方式去測量質(zhì)量的時候，就會發(fā)現(xiàn)一個物體的慣性質(zhì)量和它的引力質(zhì)量精確的混合到一起，一絲一毫都不差。盡管它們來自于完全兩種不同的理論和假設(shè)，這兩個量雖然都叫質(zhì)量，但其實它是一個粒子完全不同的兩個參數(shù)，慣性質(zhì)量是物體對運動的一個抵抗作用，而引力質(zhì)量是物體被引力移動的一個傾向，這種精確的吻合可以通過在月球上扔小球來得到驗證。
月球上沒有空氣，舉起一個很輕的小塑料球，再舉起一個很重的大鐵球，一放手這兩個球是同時落地的，為什么會同時落地呢？因為大鐵球的引力質(zhì)量更大，它受到月球的引力也更大，但是呢，因為這個大鐵球慣性質(zhì)量也更大，所以它抵抗加速的力也更強，反過來說小塑料球它很容易被加速，但是呢，因為它的引力質(zhì)量很小，它受到的加速力也很小，這兩種質(zhì)量加速和減速的效應(yīng)精確的完美抵消了，所以一個小塑料球和一個大鐵球才能在月球上同時落地。
為什么慣性質(zhì)量精確的就等于引力質(zhì)量的，目前所掌握的物理知識還不能解釋這個現(xiàn)象，科學(xué)界只能假設(shè)這兩種質(zhì)量完全相同，愛因斯坦正是先假設(shè)了光速不變，然后推演出整個狹義相對論，然后假設(shè)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量完全等效又推演出廣義相對論。
在不破壞物理定律的前提下，這兩個質(zhì)量能不能不一樣呢？在理論上它們應(yīng)該是可以不一樣的，但是在現(xiàn)實世界里它們就是一樣的，這也難怪有這么一句話“宇宙它存在本身就是一個最大的謎團”，因為里面有太多的巧合了。
最后來總結(jié)一下，質(zhì)量有幾點奇怪的地方：
第1點：物體的質(zhì)量不僅僅包括它各個部分的質(zhì)量，還包括把這些部分束縛在一起的能量。
第2點：質(zhì)量實際上就像是一個標(biāo)記，在“希格斯”理論里面，它就和一個物體的電荷是很像的，有些物體它質(zhì)量的這個標(biāo)記很大，它在“希格斯場”里面更難運動，而另外一些物體這個標(biāo)記的數(shù)字很小，它在“希格斯場”里面就很容易運動。
第3點：測量引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量會精確的得到同樣的數(shù)值。
以上3點就是科學(xué)家千百年來沒有放棄探索的原因，因為越往深層去研究就會發(fā)現(xiàn)越多的問題，在探究這些問題的過程中，會經(jīng)常得到一些意外的答案，也許有一天質(zhì)量的謎團被破解的時候，會意外的發(fā)現(xiàn)其他更了不起的理論。
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