希格斯場示意圖(圖片來源於網絡)
2019年5月20日,第20個「世界計量日」,計量物體質量的單位「1千克」,被重新定義,並通過關於國際單位制(SI)基本單位變革的決議生效實施。
在這之前的質量單位「1千克」,是由一個直徑和高度同約為39毫米的鉑銥合金圓柱體定義,即「國際千克原器」,外號為「大K」,保存在巴黎西郊一間地下儲藏室內。「大K」是金屬製品,其質量容易受到空氣汙染和氧化等因素影響而出現細微變化,難以適應現代精密測量的要求。
重新定義的「千克」,是以量子力學中的普朗克常數為基準。具體原理是:將移動質量1千克物體所需機械力,換算成可用普朗克常數表達的電磁力,再通過質能轉換公式算出質量。重新定義的「千克」,精度可達3.4×10^-8,比「大K」穩定至少1百萬倍。
那麼,質量究竟是什麼呢?為什麼會有質量?今天我們就來討論這個話題。
去商店買東西,你常常會問:「這東西的質量如何呀?」這裡的「質量」是指某種產品的品質,如耐用性、精緻性,或實用性等。今天要討論的「質量」,特指某種物體所固有的物理特性。
質量,有很多表現形式。
重量,是質量的一種表現形式之一,也可以叫做引力質量。一個物體,例如一個人的重量,就是物體受到的地心引力減去地球自轉產生的離心力之差。物體的質量,是產生引力的必要條件,沒有質量就沒有引力;質量越大,則引力就越大。
慣性質量,也是質量的一種表現形式。根據牛頓力學定律:質量等於物體的密度與它體積的乘積;質量是量度物體慣性大小的物理量。根據牛頓力學第二定律:F=ma,物體質量m越大的物體,想要改變其運動狀態,所需要的力就越大。物體的質量m是不變的,與運動速度無關。
一個物體,既有慣性質量,又有引力質量。質量是物質的最基本特性之一。萬有引力定律,體現了質量與引力的關係。
在愛因斯坦的質能方程E=mc²(E為能量,m為質量)中,質量和能量是等價關係。但這裡不能說「質量就是能量」,沒有同「引力質量」「慣性質量」相對應的「能量質量」一說。
根據狹義相對論原理,在一個慣性系中,質量等效於能量,具有一定慣性質量的物體,必定有相應數量的能量。廣義相對論認為,質量所具有的能量會扭曲時空,而扭曲的時空又會移動質量;物體做加速運動,會引起物體的質量增大。
物體為什麼會有質量?質量的本質究竟是什麼?在經典物理學裡面沒有答案。這個答案需要在量子力學中尋找。
物體之所以有質量,是因為組成物體的基本粒子有裸質量。宇宙之中的物體,大至恆星,小至塵埃,都是由原子組成,而原子又由質子、中子和電子等基本粒子組合而成。質子、中子和電子等微觀粒子,都擁有物理質量:質子的質量約為1.6726231×10⁻²⁷kg;中子的質量約為1.6749286×10⁻²⁷kg;電子的質量約為9.118195399×10⁻³¹kg。
質子由兩個上夸克與一個下夸克結合而成;中子由一個上夸克與兩個下夸克結合而成。夸克與夸克之間,由膠子傳遞的強相互作用力結合在一起。經科學實驗測量:上夸克的裸質量約為2.3MeV/c²;下夸克的質量約為4.8MeV/c²,組成質子的兩個上夸克與一個下夸克的質量之和約為9.4MeV/c²,電子的等效質量約為0.511MeV/c²,三個夸克質量之和僅為電子質量的18.4倍,而質子的實測靜止質量卻是電子的1836倍。
中間巨大的差值是從哪裡來的?
科學家猜想,物理質量,是由基本粒子與希格斯場相互作用而產生的。
根據量子力學之中的泡利不相容原理,夸克不能單獨存在,必須與其它夸克相結合,夸克與夸克之間由膠子通過強力「粘接」。在量子規範場論標準模型中,膠子是規範玻色子,它只負責夸克間強力的傳遞,與傳遞電磁相互作用的光子一樣,膠子本身的質量必須為零。
膠子需要從外部「借」來質量,而這個質量是由希格斯場「借出」的。
希格斯場充滿著宇宙,包括宇宙的真空。希格斯場與希格斯勢可以使膠子獲得質量。2012年7月,歐洲核子研究組織(CERN)利用大型強子對撞機(LHC)轟擊出了希格斯玻色子,質量大約為126GeV/c²,證實了希格斯場的存在。
一切物質由微觀粒子構成,微觀粒子的質量、數量以及粒子間的相互作用關係決定了物質的質量。或許,有些在理論上被定義為「靜止質量為0」的粒子,它們可以通過希格斯場的相互作用而獲得質量。