質量,是在我們日常生活中經常用到的物理量,比如說,我們經常會稱自己的體重,不過嚴格來講,我們測量的并不是質量,只是地球對我們產生的引力。
不知道你有沒有深入思考過,質量到底是什么?質量到底是如何產生的呢?
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從宏觀上很難具體描述質量的本質,我們需要深入微觀世界一探究竟,因為任何宏觀物體都是由微觀粒子組成的。上初中物理課時,我們都學過萬物是由最基本的原子組成的,而原子由原子核和電子組成,原子核由質子和中子組成,而質子和中子都是由三個夸克組成。
不過原子的質量主要集中在原子核上,電子的質量僅占原子質量的1/1837,幾乎完全可以忽略不計。
電子被認為是最基本的粒子,不可再分。而質子和中子都有自己的結構,兩者都是由三個夸克組成,夸克和電子一樣都是不可再分的基本粒子。
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質子和中子的不同之處在于,質子是由兩個上夸克和一個下夸克組成,而中子剛好相反,由兩個下夸克和一個上夸克組成。
理論上講,由于原子核是由質子中子組成的,而質子中子又是由夸克組成的,那么原子核的質量應該等于夸克的質量總和。但是科學家通過深入探索發現,并不是那回事。夸克的質量總和還不到原子核質量的1%,兩者相差巨大。
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最大的疑問就是:夸克的質量總和為何不等于原子核的質量,而且兩者相差還如此大?剩下的99%質量在哪里?
答案就暗藏在核子之間以及夸克之間的強相互作用上。
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很多人都知道,自然界存在四種基本作用力,它們分別是強力,弱力,電磁力還有引力,其中強力的強度最大。
強力,也就是強相互作用,可以把質子和中子,以及夸克與夸克緊緊的束縛在一起。強力是通過膠子來傳遞的。而膠子在傳遞強相互作用的過程中會伴隨超級能量,這種巨大能量可以把夸克牢牢地束縛起來形成核子,膠子的表現就像膠水那樣起著粘結的作用。
愛因斯坦的質能方程表明,質量與能量是等價的,兩者可以相互轉換,于是強相互作用過程中伴隨的巨大能量也可以表現為質量,這種質量就是那看似“丟失”的99%的質量,剩下的1%的質量就是夸克的質量總和。
也就是說,萬物的質量本質上還是能量,能量才是宇宙的本質。
不過,還有一個疑問:夸克占據那1%的質量,又是怎么來的呢?
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這時候就需要標準粒子模型登場了,該模型表明,組成宏觀物體的微觀粒子其實就是由兩類粒子組成,它們分別是費米子,規范玻色子。通俗來講,費米子就是基本粒子,比如說電子和夸克等,打個比方,把一個物體不斷用刀切下去分割,最后不能分割的粒子就是費米子。而規范玻色子就像“膠水”,把費米子粘結起來,不讓它們分崩離析。
規范玻色子沒有靜質量,它們都必須以光速飛行。事實上,費米子本應該也以光速飛行,但如果這樣的話,萬物就不可能形成了。怎么辦呢?這時候就需要“上帝粒子”登場了。
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上帝粒子,其實就是希格斯粒子。之所以被稱為“上帝粒子”,就是因為它的重要性,正是希格斯粒子賦予了輕子以質量。
科學家們認為,希格斯場遍布全宇宙,希格斯場受到激發就會形成希格斯粒子,電子夸克等這樣的基本粒子與希格斯粒子發生耦合就可以獲得質量。
通俗來講,希格斯粒子可以讓本應該以光速飛行的基本粒子減速,在減速的過程中,基本粒子就獲得了質量。而像光子膠子等基本粒子不會與希格斯粒子發生耦合作用,也就不會減速,所以它們沒有靜質量,只能以光速飛行,而且一生下來就是光速,沒有任何加速過程。
一開始,希格斯場和希格斯粒子只是一種假設概念,不過科學家通過不斷努力,終于在粒子對撞機中發現了希格斯粒子的存在,而希格斯本人也因此獲得了2012年的諾貝爾物理學獎。
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這就是目前科學家對質量本質的詮釋,不過科學是永遠沒有盡頭了,雖然如今我們已經知道了質量的本質,還有更多問題等著我們去探索發現,比如說電子和夸克等基本粒子是否有自己的結構?是否由更小的粒子組成呢?
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