質(zhì)量是物理學(xué)的起點(diǎn)

關(guān)于“質(zhì)量到底是什么?”這個(gè)問(wèn)題，自從現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展起來(lái)，就一直困擾著科學(xué)家們。最早給“質(zhì)量”下定義的是牛頓，他在自己的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，開(kāi)篇就給質(zhì)量下了定義：

物質(zhì)的量是起源于同一物質(zhì)的密度和大小聯(lián)合起來(lái)的一種度量。

我們要知道的是，《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》被認(rèn)為是物理學(xué)的起點(diǎn)，而“質(zhì)量”又是《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的起點(diǎn)，因此，即使說(shuō)“質(zhì)量”是物理學(xué)的起點(diǎn)都一點(diǎn)不過(guò)分。

在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓就提到了“極精確的擺的實(shí)驗(yàn)”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明了：

質(zhì)量和重量成正比。

質(zhì)量催生了化學(xué)

到了18世紀(jì)末，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)：

化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量不變。

也就是說(shuō)，無(wú)論參與反應(yīng)的物質(zhì)如何變化，它們總體的質(zhì)量是不變的。這也被稱為：質(zhì)量守恒定律。

自從“質(zhì)量守恒定律”被提出來(lái)，結(jié)合著道爾頓的“原子論”，化學(xué)開(kāi)始成為一門可以定量分析的學(xué)科，正式成為了一門科學(xué)理論。所以，即使說(shuō)“質(zhì)量”是化學(xué)的起點(diǎn)，同樣也不過(guò)分。

也從這個(gè)時(shí)期開(kāi)始，“原子論”讓科學(xué)家相信，

物質(zhì)是可以分解的，并且最終可以得到不可分割的基本粒子。

不過(guò)，那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)“不可再分的基本粒子”就是原子。

粒子物理學(xué)的發(fā)展

為了證明“原子論”，科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)要求證。只是萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，原子并非是不可再分的。先是盧瑟福引領(lǐng)了一波“轟擊”潮流，他本人轟擊過(guò)原子，原子核。

而后來(lái)的科學(xué)家更狠，直接用上了高能粒子加速器，用“野蠻沖撞”的形式去想要撞開(kāi)質(zhì)子。

在一次次碰撞當(dāng)中，他們硬是撞出了一個(gè)“粒子動(dòng)物園”，前前后后發(fā)現(xiàn)了上百種粒子，最后構(gòu)建起了一個(gè)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。

基本粒子和質(zhì)量

只是越撞，物理學(xué)家越迷糊。我們可以思考一下，按照“原子論”的說(shuō)法，也就是物質(zhì)都是原子構(gòu)成的。那么，

物質(zhì)的質(zhì)量=原子的質(zhì)量*原子的數(shù)量

但由于，一般物質(zhì)是有多種原子構(gòu)成的，所以，其實(shí)是各種元素的“原子的質(zhì)量*原子的數(shù)量”加起來(lái)，就是物質(zhì)的質(zhì)量。

我們可以把物質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)就是研究“氫氣”的質(zhì)量，其實(shí)就是：

氫氣的質(zhì)量=氫原子的質(zhì)量*氫原子的數(shù)量

可是隨著粒子物理的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)，原子還可以再分成電子和原子核。如果還是研究氫氣的質(zhì)量，那就變成了：

氫氣的質(zhì)量=電子的質(zhì)量*電子的數(shù)量 原子核的質(zhì)量*原子核的數(shù)量

而原子核還能繼續(xù)分成質(zhì)子和中子。所以氫氣的質(zhì)量又變成了：

氫氣的質(zhì)量=電子的質(zhì)量*電子的數(shù)量 質(zhì)子的質(zhì)量*質(zhì)子的數(shù)量 中子的質(zhì)量*中子的數(shù)量

接著呢？科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子還可以再分成夸克。所以氫氣的質(zhì)量又變成了：

氫氣的質(zhì)量=電子的質(zhì)量*電子的數(shù)量 夸克的質(zhì)量*夸克的數(shù)量

好在有“夸克禁閉”，科學(xué)家沒(méi)辦法進(jìn)行把夸克再分下去，否則真的是沒(méi)完沒(méi)了了。

一位攪局的人

但是，有個(gè)大神跑來(lái)攪局，這位大神就是愛(ài)因斯坦，他提出了著名的質(zhì)能方程。

在愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，告訴我們一個(gè)道理，

質(zhì)量和能量并不是獨(dú)立存在的物理量。

因此，物質(zhì)的質(zhì)量并不是簡(jiǎn)單的基本粒子的質(zhì)量加和，還要考慮到把基本粒子結(jié)合到一起的能量。

意外的結(jié)果

他這一鬧，其實(shí)反倒促進(jìn)了人類對(duì)于質(zhì)量的理解。于是，科學(xué)家開(kāi)始研究各種結(jié)合能。

1. 原子核和電子結(jié)合在一起的電磁能量只占原子質(zhì)量的一億分之一；
2. 把質(zhì)子和中子束縛在原子核內(nèi)的核力的能量只占原子質(zhì)量的1%；
3. 質(zhì)子和中子中的夸克也只原子質(zhì)量的1%

這時(shí)，科學(xué)家就納悶了，質(zhì)子和中子剩余的99%的質(zhì)量到底去哪里？按照愛(ài)因斯坦的理論來(lái)看，這個(gè)質(zhì)量只能是作用于夸克的力產(chǎn)生的能量。也就是“強(qiáng)力”產(chǎn)生的能量。

也就是說(shuō)，電子和夸克的質(zhì)量只占總體質(zhì)量極其小的比例（1%），剩下的都是強(qiáng)力產(chǎn)生的能量。

驚不驚喜?意不意外？原來(lái)，萬(wàn)物的質(zhì)量基本（99%）都是來(lái)自于束縛夸克的能量。我們只要通過(guò)E=MC^2，就可以換算出的質(zhì)量。

基本粒子的質(zhì)量

雖然，我們已經(jīng)知道了大部分的質(zhì)量來(lái)源，但還有個(gè)問(wèn)題，那就是質(zhì)子和中子的質(zhì)量到底是咋來(lái)的？

實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題同樣可以追問(wèn)“電子的質(zhì)量從哪來(lái)的？”，質(zhì)子和中子是由夸克構(gòu)成的，所以，我們可以合并成一個(gè)問(wèn)題，“電子和夸克的質(zhì)量是從哪來(lái)的？”

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家彼得希格斯等人提出了希格斯玻色子理論。

在這套理論中，科學(xué)家指出，

1. 粒子可以通過(guò)與希格斯場(chǎng)之間相互作用獲得質(zhì)量；
2. 希格斯場(chǎng)存在于整個(gè)宇宙中；
3. 希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的振動(dòng)。

因此，最后的結(jié)果聚焦到了希格斯玻色子上，如果我們能夠在粒子加速器中找到希格斯玻色子，那就說(shuō)明，我們知道了基本粒子的質(zhì)量來(lái)源。

在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC就一直在尋找希格斯玻色子。

2013年3月14號(hào)，他們正式對(duì)外宣布探測(cè)到了新粒子：希格斯玻色子。

當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了希格斯玻色子理論的希格斯與弗朗索瓦·恩格勒。

希格斯玻色子一直以來(lái)都被稱為“上帝粒子”，很多人都知道它是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，從諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)速度就可以見(jiàn)其重要性。

可是，很多人對(duì)希格斯玻色子都有誤會(huì)，很多人都認(rèn)為物質(zhì)的質(zhì)量就是來(lái)自于希格斯玻色子，把它稱為“萬(wàn)物的質(zhì)量之源”。但這是不對(duì)的。

但實(shí)際上，希格斯玻色子只和物質(zhì)質(zhì)量的1%有關(guān)，而99%的物質(zhì)質(zhì)量來(lái)源于強(qiáng)相互作用。

以上就是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)于“物質(zhì)的質(zhì)量”的看法，也是目前主流的科學(xué)理論。

不過(guò)，前面我們也說(shuō)到了質(zhì)能方程E=MC^2，這個(gè)公式可以說(shuō)是最常見(jiàn)的物理學(xué)公式了。在很多場(chǎng)合，比如：核聚變和核裂變中，很多人常常這么描述：

核聚變/核裂變反應(yīng)前后損失的一部分質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)能方程，這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量。

這種說(shuō)法是正確的呢？還是錯(cuò)誤的呢？我們下期再詳細(xì)說(shuō)。