我们常常会关注自己的体重,尤其对于爱美人士而言,他们非常在意体重的变化。你知道你的体重是多少吗?在日常生活中,我们通常用斤来衡量体重,例如,如果你的体重是100斤,这里的“斤”实际上是质量的单位。然而,这种测量方式并不严谨,因为我们测量的实际上是地球对我们施加的引力,而不是我们的真实质量。由于地球引力在不同地点会略有变化,因此在不同地方测量体重会得到不同的结果,但这并不意味着你的质量真的改变了,只是受力有所不同。
在物理学中,质量指的是物体所具有的物质量,它在任何情况下都保持不变。此外,质量也可以被定义为惯性质量,即衡量一个物体惯性大小的物理量。不过,这些对质量的定义常常显得模糊而抽象,一直以来我们没有明确的答案。直到爱因斯坦的相对论出现,这才让我们对质量的本质有了更深入的理解。通过质能方程,爱因斯坦揭示了质量和能量是可以互换的,两者就像一枚硬币的两个面。
那么,质量是否就是能量?从科普角度来看,可以这么说。但深入探讨下去,这个问题还蕴藏着更深层次的奥秘。要真正理解什么是质量,首先需要了解质量是如何产生的。已知宇宙间的一切都是由基本粒子构成的,那么宏观物体的质量应等同于构成它的微观粒子的质量总和。例如,人是由原子组成,原子又由原子核和电子组成,而原子核由质子和中子构成,质子和中子则是由夸克组成的。质子由两个上夸克和一个下夸克构成,中子则相反。夸克之间通过胶子传递的强相互作用力紧密结合在一起,类似胶水的作用。
有趣的是,虽然质子或中子的质量应该等于其组成夸克的总质量,但科学家发现三者的总质量仅占质子质量的1%。这就像将一块大石头分成三块小石头,按理讲其总质量应相等,但实际上三块小石头的质量总和仅占大石头的1%。那么剩下的99%的质量哪里去了呢?
答案在于夸克之间强相互作用形成的“束缚能”。这种强大的能量不仅限于夸克间,核子间也存在相似的“束缚能”,而这一能量是核能的来源,如核聚变过程中释放出的巨大能量,其本质即核子之间的“束缚能”。根据爱因斯坦的质能方程,能量可以表现为质量。换句话说,我们99%的质量其实是由于强相互作用带来的能量产生的。
那么,那剩余的1%质量来自哪里呢?这与希格斯场和希格斯粒子有关。希格斯场是宇宙的背景场,遍布宇宙各处。基本粒子如电子和夸克通过与希格斯粒子相互作用获得质量。粒子与希格斯粒子作用会导致减速,在此过程中获得质量。因此,希格斯粒子被称为“上帝粒子”。
举个例子:想象你在街上奔跑。如果你是普通人,跑起来畅通无阻,但如果你是一个超级明星,会被粉丝围住,这阻碍了你前进,最终“增加”了你的“质量”。同样,光子和胶子等粒子不与希格斯场作用,因此它们始终以光速运动。
还有一个额外的话题:那些基本粒子,如电子和光子,究竟由什么构成呢?目前,科学界认为它们是不可分割的基本粒子,实际上,它们可以被视为“能量包”。在量子场论中,宇宙充满了各类场,当这些场从基态受到扰动就转为激发态,从而形成粒子。例如,当电磁场从基态受到扰动时,会产生光子,传递电磁波。整体而言,宇宙的本质是能量,而质量仅是能量的一种表现形式。