物體為什麼會有質量，質量從何而來？

世紀難題：質量

話說300多年前，牛頓發表了著名的《自然哲學的數學原理》，這部名垂千史的著作正式開啟了現代科學的序幕。在這部書的第一部分當中，牛頓對各種各樣的物理量進行了定義，其中開頭第一個就是關於「質量」的定義。他寫道，物質的量是起源於物質的密度和大小聯合起來的一種度量。

雖然牛頓對質量進行了定義，但這個定義一直以來並沒有讓所有的科學家都滿意。甚至質量一直以來都困擾著科學家，他們一直在思考：質量的本質到底是什麼？

四種基本作用

這個問題一直困擾著科學家200多年，直到上個世紀才逐漸揭曉謎底。科學家發現，我們這個世界其實是由物質構成的，物質之間會發生各種相互作用。最早，牛頓把這個作用叫做：力。在上個世紀之前，科學家發現宇宙中存在著兩種基本力，分別是萬有引力和電磁力，比如：地球繞著太陽轉就是因為萬有引力，而磁鐵的「異性相吸同性相斥」就是電磁力。

可是到了個世紀，科學家發現，「力」的概念並不夠用了，用「相互作用」取而代之，並且他們發現宇宙其實還存在著另外兩種相互作用加上前兩者，就一共有4種，分別是強相互作用，弱相互作用，引力相互作用，電磁相互作用。

可能很多人無法理解強相互作用到底是什麼？

不知道你想過沒有，原子是由原子核和電子構成的，而原子核內主要是質子和中子，質子帶整點，而中子不帶電，根據同種電荷相排斥的原理，質子之間其實存在著靜電斥力（電磁力），理論上這麼多的質子不太可能能夠聚集在一起，這說明有一種比電磁力更強的力把質子束縛在了一起，它其實就是強相互作用。至於弱相互作用，它真的很弱，和衰變有關，太陽內核的核聚變反應就是由弱相互作用參與的。

所以，這四種相互作用就好像是萬物的粘合劑，都是不可或缺。正是它們的存在，萬物才不會像一盤散沙。對於強相互作用和弱相互作用的研究，也打開了了解「質量」的大門。

科學家發現物質的質量基本上都集中在原子的原子核當中，而原子核又是由質子和中子，也就是說，質子和中子集中物質絕大部分的質量。

後來，科學家又發現，質子和中子還能夠繼續再分下成三個夸克，如果計算一下就會發現，夸克佔據的質量也僅僅是質子和中子總質量的1%，那剩餘的99%哪兒去了？

剩餘的99%來自於強互相作用，根據質能方程E=mc^2，這裡的E代表能量，m代表質量，c代表光速。這個公式告訴我們，能量和質量是相互等價的。強相互作用是以非常大的能量把3個夸克束縛在一起，這個能量等價於一定的質量，佔據了質子和中子99%的質量。

搞清楚了99%的質量問題，剩餘的1%才是最讓科學家頭疼，這是因為按照理論來看，基本粒子質量應該都是0，比如：夸克和電子其實都屬於基本粒子。那問題到底出在哪裡了呢？

規範場&希格斯機制

要了解科學家如何解決剩餘1%的質量，我們就得先了解另外一個概念：場。場聽起來很陌生，實際上，我們初高中在學物理學時也接觸過，比如：引力是通過引力場來實現相互作用的，電磁力是通過電磁場來實現相互作用的。

科學家就在思考，是不是可以利用「場」來把各種相互作用統一起來，就好比一套通用的規則，然後設計不同的初始闡述，就可以解釋不同的相互作用，這套通用的規則被稱為規範場。德國的數學家外爾最早提出這個觀念，並且用此來解釋麥克斯韋的電磁場理論。

到了1954年，楊振寧和他的學生米爾斯又在外爾的基礎上做出了另外一個巨大的貢獻，他們發現，如果把規範場的初始設定稍微改一改，就可以用規範場來描述弱相互作用，這個貢獻後來也被稱為楊米爾斯理論。

後來，蓋爾曼又在楊米爾斯理論的基礎之上進一步拓展，這使得規範場理論還可以用來描述強相互作用。也就是說，科學家用了一套理論就描述了3種相互作用。

雖然規範場看起來很不錯，也被很多科學家所接受，可是在規範場無法解釋為什麼基本粒子會有「質量」？

具體來說就是在規範的理論框架當中，我們可以把這種相互作用看成是把某種粒子來回扔的結果：

• 強相互作用就是把「膠子」來回扔；
• 弱相互作用就是把「W玻色子」和「Z玻色子」來回扔；
• 電磁力就是把「光子」。

可是雖然都是在扔「粒子」，但是「光子」和「膠子」卻沒有質量，而「W玻色子」和「Z玻色子」卻是質量的，那這到底是咋回事呢？還有，電子和夸克的質量又是從哪來的呢？

著名的物理學家曾經在楊振寧的公開演講中用這個問題為難楊振寧，讓楊振寧一度下不來臺，後來是原子彈之父奧本海默出面解圍。

實際上，這只是那個時代的一個縮影，幾乎當時最頂尖的物理學家都為此而頭疼不已。他們甚至開始懷疑：是不是規範場理論錯了？

不過，還是有很多科學家堅持規範場理論是對的。為此，他們不得不提出一個新的假設，他們認為宇宙中應該還存在著我們所不知道的「場」，這個「場」可以和粒子發生作用，並且賦予粒子不同的質量，這個理論也被稱為希格斯機制，賦予粒子質量的「場」叫做希格斯場。這個希格斯場布滿了整個宇宙空間。

那我們應該如何理解希格斯機制呢？

我們可以把希格斯場比喻成一個廣場來。如果有個路人甲在人群中走過，其實沒有人會在意。但是，如果有一個大明星在人群中走過時，就會被粉絲們堵住，如果是超級天王，那會有更多的粉絲堵住。光子在希格斯場中就類似於在廣場上穿過的路人甲，它還能保持自己原來的速度穿過，也就是光速；而電子，夸克等離子就屬於大明星，所以它們在通過希格斯場時，就會被「堵住」，於是，速度就會減慢，並且獲得質量。質量越大的粒子就好比廣場中人氣更高的明星，堵得人越多，速度就放得越慢，因此，質量也就越大。

不過，以上都只是科學家的猜想，要想證明還需要實驗觀測，我們可以通過觀測希格斯場的產物希格斯玻色子來證明。這就需要用到大型強子對撞機，2012年，歐洲核子研究中心就發現了一種新的玻色子，並且在2013年確定了這個新的玻色子就是希格斯玻色子，從而證明了希格斯機制是可信的，補充上了規範場中最後的一塊拼圖。

總結

希格斯機制也解釋萬物最後那1%的質量來源，人類也因此解開了「質量之謎」。我們總結一下就是：萬物99%的質量來自於強相互作用束縛夸克的能量，1%的質量來自於希格斯場賦予粒子的質量。