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質量是物理學中最基本的量,也是物質最基本的屬性。多少年來,質量一直是由實驗確定或人為輸入的理論。我們不禁要問,這些質量是怎麼產生的?我們目前的物理學能理解質量的起源嗎?
在經典物理學的框架中,牛頓第二定律把質量、加速和力聯繫在一起。當質量為0時,這個公式沒有意義。因此,我們可以設想,在經典力學的框架下討論質量的起源是不可能的,當然也是沒有意義的。
之後,在光速不變原理和相對性原理這兩大假設之下,愛因斯坦發展出了狹義相對論。在狹義相對論中,伽利略變換被洛倫茲變換所替代,質量不再是靜止不變的,而是隨著速度的增大而增大。更進一步,愛因斯坦把質量和能量聯繫在了一起,發展出了著名的質能方程。這一發展也開啟了從能量和相互作用角度解釋質量起源的一種可能性。
20世紀初,自然界中具有質量的物質都是由原子組成的,而原子是由原子核和電子組成。原子核佔原子質量的絕大部分,而核外電子所佔的質量比例小於千分之一。原子核由質子和中子組成,而質子和中子是由夸克和膠子組成,因此研究物質質量的起源就不可避免地要研究基本粒子的質量起源。所以,討論物質的起源,可以最終追溯到夸克、膠子、帶電輕子和中微子,以及它們所參與的相互作用。
目前描述強相互作用的一種理論是量子色動力學,它有一個非常重要的性質即漸近自由,相互作用的強度隨著能量的降低而增強。當採用無質量的膠子和夸克利用量子色動力學進行非擾動計算,我們可以得到質子的質量。結果表明,理論計算出的質子質量大約為實際測量值的90%。因此,我們可以把身邊物質的絕大部分質量歸結為強相互作用的結果。
那麼還有剩下的質量來自哪裡呢?物理學家說,組成質子的上夸克和下夸克必須擁有質量。電子也擁有質量,否則原子的玻爾半徑將變成無窮大,就不可能形成穩定的原子了。粒子物理學的標準模型基於對稱性的概念,但是為了保持對稱性,攜帶電弱力的粒子不允許具有質量。
這就要求組成物質基本單元的費米子(如夸克和輕子)是無質量的,且傳遞相互作用的規範玻色子也必須是無質量的。規範粒子如果具有質量,則理論的規範對稱性就要被破壞;物質粒子如果具有質量,則理論的手徵對稱性就要被破壞。然而,實驗卻與理論相矛盾,實驗要求傳遞短程弱相互作用的玻色子必須具有質量,否則像β衰變這樣的過程將以無限速率發生。
1964年,羅伯特·布勞特、弗朗索瓦·恩格勒以及彼得·希格斯提出了一種解決方案,給標準模型引入了一個打破電弱對稱性的新機制,這種機制後來被稱為希格斯機制。它通過引入一個自旋為0的標量場可以得到玻色子和費米子的質量,同時也預言了一個自旋為0的希格斯粒子的存在。
真空並不是完全空的,量子場論告訴我們,不同量子場中相關的粒子-反粒子會隨機生成,並在短暫的時間裡相互湮滅。這些場在真空中期望值為0,也就是說,平均而言我們可以預言在真空中沒有粒子存在。然而希格斯場有很高的真空期望值,這個非零的真空期望值意味著希格斯場無處不在,使得它能夠影響整個宇宙中已知的大質量粒子。
2012年,歐洲強子對撞機中發現了「上帝粒子」希格斯粒子的存在。