物質最本質的問題,質量是什麼?21世紀科學家才弄清楚

2020-12-05 科學美少男

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質量到底什麼?

牛頓的質量

牛頓第一定律描述:

任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。

牛頓第二定律描述:

物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質量成反比,即F=ma,a=F/m

這兩句話翻譯過來,假設宇宙中有一個不受任何力作用的星球,它以一個初速度在宇宙中飄蕩著,如果它一直不受任何力的作用,那麼這顆星球就會沿著初始的方向勻速運動下去,唯一能讓它改變的外力。如果給星球裝一個像《三體》中的發動機,當發動機持續給予星球一個恆定的力,力的作用效果會體現在速度改變上,力越大加速度a就越大,而同樣的力如果作用在一個質量較小的星球上,加速度就會更大。因此按牛頓的描述質量是物質的一種量,這種量決定了物質受到外力時,改變運動狀態的程度,質量保持物質原本的「習慣性」狀態,因此第一定律也稱為慣性定律,說了這么半天,實際上牛頓並沒有解釋質量到底是什麼?質量到底是怎麼來的?

愛因斯坦說質量就是能量

1905年,愛因斯坦連發了多篇創世紀的巔峰論文,楊振寧回顧說:

愛因斯坦引發了人類關於物理世界的基本概念—時間、空間、能量、光、物質—的三大革命。

其中一篇論文讓我們對質量有了一個新的認識,該論文的題目是一個問題《一個物體的慣性是否與它所含的能量有關?》,論文中他自己給予了一個肯定的回答:一個物體的慣性質量是由該物體所含的能量決定的,質量就是能量。而能量與質量的關係就是大家所熟知的質能等效方程:

E為能量,m為質量,c為光速約為30萬公裡/秒,這預示著微小的質量能釋放出巨大的能量。下面是人類的第一顆氫彈「邁克」,在島上測試的畫面,這顆氫彈爆炸的能量僅僅是大約500克的物質被轉化為純能量。

物質的構成

實際上,更嚴謹的說質量應該是能量的另外一種形式。質能等價源於愛因斯坦通過對《狹義相對論》質量與速度的關係的推導而來是一個物理與數學的結果,描述了質量是什麼,但是還沒有講清楚質量為什麼是能量,能量是什麼來的,因此我們需要對物質進行拆解,看清楚物質最深處到底發生了什麼。

水由水分子構成,分子有原子構成,原子又由原子核與核外電子構成,當我們繼續深入會發現原子的結果大部分是空的。在微觀層面,電子距離原子核非常遠,它的質量太小,可以忽略不計。由於對撞機的出現,人類發現雖然原子核中的質子與中子佔據了物質大部分質量,但它們也是由更小的粒子組成。

圖:粒子標準物理模型,這裡粒子構成了宇宙的萬物

隨著科學與科技水平的不斷進步,人類發現的粒子越來越多,在2012年,我們發現了解釋萬物質量之源——希格斯玻色子。

四大力

這些粒子之間都遵守著各自的規則,會與自己有聯繫的粒子進行四大相互作用,這就是物質大部分能量的來源。

電磁相互作用(電磁力),這個是我們最熟悉的,電子帶負電,質子帶正電。麥克斯韋統一了電磁學描述了變化的電磁會產生變化的磁場,變化的磁場又會產生變化的電場,電與磁產生電磁波,電磁波又是廣義上的光,根據波粒二象性,光既是波又是粒子,因此我們可以看做電磁力實際上就是原子中光子被扔來扔去,進行電磁力的傳遞。我們日常生活主要的力都是電磁力。

強相互作用(強力),上述我們說過中子、質子並非最小的粒子,每個質子(中子)都由三個夸克組成,有一種粒子就像膠水一樣把三個夸克穩定住,既不會挨的太近,也不會離得太遠。電磁學也稱為電動力學,而強力的相互作用源於膠子與夸克之間的量子色動力學,簡單理解為夸克把膠子扔來扔去,然後在扔膠子的時候自己會變色,具體源於夸克子內在性質,這裡不深入了。由於強力可以把帶正電的質子都給捆在一起,作用大於它們之間相互排斥,因此我們稱之為強力。

引力,傳遞引力的粒子——引力子人類目前還在苦苦尋找之中,你可以把引力子想像成物質就像兩個人背對著坐在不同的船上,扔迴旋鏢,每次接到鏢的作用就會向對方靠近。

弱相互作用(弱力),弱力我們較為熟悉就是核輻射。原子都是呈中性的,帶正電的質子有多少,核外跟著的電子就要有多少。當原子很多時,核外的電子就越難以約束,原子就會衰變,其中有一種衰變稱為β衰變,過程就是原子核俘獲核外電子使一個質子通過夸克的顏色的改變,變成中子,或者中子釋放電子形成質子,這過程需要通過玻色子來傳遞能量。

能看到這裡的都是戰士,很繁瑣,很費勁,科學家也是這麼想的,因此他們也想能不能只用一種方式就能描述四大作用力,並且科學家發現質量問題並沒有在這四大力中完美解決。

四大相互作用之間的排斥與粘合作用使萬物有了組合的框架,構成了物質,但科學家通過對撞機得到作用力之間的能量,並通過E=mc^2把能量換算成質量時,發現強相互作用間的質量多了1%,那麼只能是夸克身上還存在著某種能量,也就是夸克自己帶有1%的質量,那麼這個質量又是誰給的?

希格斯機制

「場」的概念源於數學家外爾,這是被寄予統一四大力的理論,因此稱為「規範場」。它可以直接解釋電磁場。

楊振寧和米爾斯通過對規範場進行微調把弱相互作用囊括在內,稱為楊米爾斯理論,也就有了弱力場。蓋爾曼看到了楊米爾斯理論,靈光一閃在這楊米爾斯理論基礎上又進一步微調,把強力也收錄進來,有了膠子場。

此時只剩下引力子還由《廣義相對論》所描述,並且有很重要的一點,一開始大家認為所有基本粒子都是沒有質量的,質量源於費米子在玻色子形成的場中運動。

而夸克本體質量的出現讓科學家意識到粒子是自有質量的,而且它們還發現電子與傳遞弱力的W、Z玻色子也是有質量的,於是開始有科學家認為,在不同的場中,一定還有一個大場在源源不斷地賦予粒子質量,只不過它存在一種機制,使部分粒子有質量,部分沒有質量,這個機制就是希格斯機制。

2012年,歐洲核子研究中心在對撞機中發現了希格斯玻色子。希格斯機制簡單理解就像是整個宇宙就像海洋中充滿著希格斯「海水」(希格斯場),海水的衝擊使粒子具有了一定的能量,粒子受到的衝擊越大,粒子獲得能量也就越大,體現出來的質量也就越大,而光子與膠子並不會受海水影響,因此光子可以宇宙中最極致的速度傳遞能量與信息,作用與否、大小取決於粒子內在的自旋和角動量。終於人類找到了萬物質量最後一塊拼圖,解釋了質量源於能量,能量源於粒子在場中運動。

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