世紀(jì)難題：質(zhì)量

話說300多年前,，牛頓發(fā)表了著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，這部名垂千史的著作正式開啟了現(xiàn)代科學(xué)的序幕,。在這部書的第一部分當(dāng)中,，牛頓對(duì)各種各樣的物理量進(jìn)行了定義，其中開頭第一個(gè)就是關(guān)于“質(zhì)量”的定義,。他寫道，物質(zhì)的量是起源于物質(zhì)的密度和大小聯(lián)合起來的一種度量,。

雖然牛頓對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了定義,，但這個(gè)定義一直以來并沒有讓所有的科學(xué)家都滿意,。甚至質(zhì)量一直以來都困擾著科學(xué)家，他們一直在思考：質(zhì)量的本質(zhì)到底是什么,？

四種基本作用

這個(gè)問題一直困擾著科學(xué)家200多年,，直到上個(gè)世紀(jì)才逐漸揭曉謎底?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),，我們這個(gè)世界其實(shí)是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)之間會(huì)發(fā)生各種相互作用,。最早,，牛頓把這個(gè)作用叫做：力。在上個(gè)世紀(jì)之前,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)就是因?yàn)槿f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(gè)世紀(jì),，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“力”的概念并不夠用了,，用“相互作用”取而代之,，并且他們發(fā)現(xiàn)宇宙其實(shí)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(qiáng)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(qiáng)相互作用到底是什么,？

不知道你想過沒有,，原子是由原子核和電子構(gòu)成的，而原子核內(nèi)主要是質(zhì)子和中子,，質(zhì)子帶整點(diǎn),，而中子不帶電，根據(jù)同種電荷相排斥的原理,，質(zhì)子之間其實(shí)存在著靜電斥力（電磁力）,，理論上這么多的質(zhì)子不太可能能夠聚集在一起，這說明有一種比電磁力更強(qiáng)的力把質(zhì)子束縛在了一起,，它其實(shí)就是強(qiáng)相互作用,。至于弱相互作用，它真的很弱,，和衰變有關(guān),，太陽內(nèi)核的核聚變反應(yīng)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(huì)像一盤散沙,。對(duì)于強(qiáng)相互作用和弱相互作用的研究,，也打開了了解“質(zhì)量”的大門。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的質(zhì)量基本上都集中在原子的原子核當(dāng)中,，而原子核又是由質(zhì)子和中子,，也就是說，質(zhì)子和中子集中物質(zhì)絕大部分的質(zhì)量,。

后來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn),，質(zhì)子和中子還能夠繼續(xù)再分下成三個(gè)夸克,，如果計(jì)算一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，夸克占據(jù)的質(zhì)量也僅僅是質(zhì)子和中子總質(zhì)量的1%,，那剩余的99%哪兒去了,？

剩余的99%來自于強(qiáng)互相作用，根據(jù)質(zhì)能方程E=mc^2,，這里的E代表能量,，m代表質(zhì)量，c代表光速,。這個(gè)公式告訴我們,，能量和質(zhì)量是相互等價(jià)的。強(qiáng)相互作用是以非常大的能量把3個(gè)夸克束縛在一起,，這個(gè)能量等價(jià)于一定的質(zhì)量,，占據(jù)了質(zhì)子和中子99%的質(zhì)量。

搞清楚了99%的質(zhì)量問題，剩余的1%才是最讓科學(xué)家頭疼,，這是因?yàn)榘凑绽碚搧砜矗玖Ｗ淤|(zhì)量應(yīng)該都是0,，比如：夸克和電子其實(shí)都屬于基本粒子,。那問題到底出在哪里了呢？

規(guī)范場(chǎng)&希格斯機(jī)制

要了解科學(xué)家如何解決剩余1%的質(zhì)量,，我們就得先了解另外一個(gè)概念：場(chǎng),。場(chǎng)聽起來很陌生，實(shí)際上,，我們初高中在學(xué)物理學(xué)時(shí)也接觸過,，比如：引力是通過引力場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)相互作用的，電磁力是通過電磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)相互作用的,。

科學(xué)家就在思考,，是不是可以利用“場(chǎng)”來把各種相互作用統(tǒng)一起來,，就好比一套通用的規(guī)則，然后設(shè)計(jì)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(guī)則被稱為規(guī)范場(chǎng)。德國(guó)的數(shù)學(xué)家外爾最早提出這個(gè)觀念，并且用此來解釋麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論,。

到了1954年,，楊振寧和他的學(xué)生米爾斯又在外爾的基礎(chǔ)上做出了另外一個(gè)巨大的貢獻(xiàn),，他們發(fā)現(xiàn)，如果把規(guī)范場(chǎng)的初始設(shè)定稍微改一改,，就可以用規(guī)范場(chǎng)來描述弱相互作用,，這個(gè)貢獻(xiàn)后來也被稱為楊米爾斯理論。

后來，蓋爾曼又在楊米爾斯理論的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步拓展,，這使得規(guī)范場(chǎng)理論還可以用來描述強(qiáng)相互作用,。也就是說，科學(xué)家用了一套理論就描述了3種相互作用,。

雖然規(guī)范場(chǎng)看起來很不錯(cuò),，也被很多科學(xué)家所接受，可是在規(guī)范場(chǎng)無法解釋為什么基本粒子會(huì)有“質(zhì)量”,？

具體來說就是在規(guī)范的理論框架當(dāng)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(jié)果：

• 強(qiáng)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(zhì)量,，而“W玻色子”和“Z玻色子”卻是質(zhì)量的,，那這到底是咋回事呢？還有,，電子和夸克的質(zhì)量又是從哪來的呢,？

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

實(shí)際上,，這只是那個(gè)時(shí)代的一個(gè)縮影,，幾乎當(dāng)時(shí)最頂尖的物理學(xué)家都為此而頭疼不已,。他們甚至開始懷疑：是不是規(guī)范場(chǎng)理論錯(cuò)了？

不過,，還是有很多科學(xué)家堅(jiān)持規(guī)范場(chǎng)理論是對(duì)的,。為此，他們不得不提出一個(gè)新的假設(shè),，他們認(rèn)為宇宙中應(yīng)該還存在著我們所不知道的“場(chǎng)”,，這個(gè)“場(chǎng)”可以和粒子發(fā)生作用，并且賦予粒子不同的質(zhì)量,，這個(gè)理論也被稱為希格斯機(jī)制,，賦予粒子質(zhì)量的“場(chǎng)”叫做希格斯場(chǎng)。這個(gè)希格斯場(chǎng)布滿了整個(gè)宇宙空間,。

那我們應(yīng)該如何理解希格斯機(jī)制呢,？

我們可以把希格斯場(chǎng)比喻成一個(gè)廣場(chǎng)來,。如果有個(gè)路人甲在人群中走過，其實(shí)沒有人會(huì)在意,。但是,，如果有一個(gè)大明星在人群中走過時(shí)，就會(huì)被粉絲們堵住,，如果是超級(jí)天王,，那會(huì)有更多的粉絲堵住。光子在希格斯場(chǎng)中就類似于在廣場(chǎng)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,，夸克等離子就屬于大明星，所以它們?cè)谕ㄟ^希格斯場(chǎng)時(shí),，就會(huì)被“堵住”,，于是，速度就會(huì)減慢,，并且獲得質(zhì)量,。質(zhì)量越大的粒子就好比廣場(chǎng)中人氣更高的明星，堵得人越多,，速度就放得越慢,，因此，質(zhì)量也就越大,。

不過，以上都只是科學(xué)家的猜想,，要想證明還需要實(shí)驗(yàn)觀測(cè),，我們可以通過觀測(cè)希格斯場(chǎng)的產(chǎn)物希格斯玻色子來證明。這就需要用到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),，2012年,，歐洲核子研究中心就發(fā)現(xiàn)了一種新的玻色子，并且在2013年確定了這個(gè)新的玻色子就是希格斯玻色子,，從而證明了希格斯機(jī)制是可信的,，補(bǔ)充上了規(guī)范場(chǎng)中最后的一塊拼圖。

總結(jié)

希格斯機(jī)制也解釋萬物最后那1%的質(zhì)量來源，人類也因此解開了“質(zhì)量之謎”,。我們總結(jié)一下就是：萬物99%的質(zhì)量來自于強(qiáng)相互作用束縛夸克的能量,，1%的質(zhì)量來自于希格斯場(chǎng)賦予粒子的質(zhì)量。