04.26 物質的質量是從哪裡來的?

1994年4月26日,美國費米實驗室物理學家發現頂夸克。談到夸克,你可知道物質的質量歸根到底是由夸克產生的,這是怎麼回事呢?

物質的質量是從哪裡來的?

對於喜歡刨根問底的讀者來說,“從哪裡來”總是個好問題。比如說,質量是最直觀的物理概念之一,用於衡量物體含有物質的多少。那麼,物質的質量是從哪裡來的呢?

我們生活中常見的各種物質由分子和原子組成。這些物質的質量絕大部分是從這些分子和原子中來的。而分子由原子組成,原子由原子核和電子組成,原子核又由質子和中子組成。這樣,物質的質量主要來自質子、中子與電子的質量。

讀者大概不會滿足於上面的答案。因為我們只是轉移了問題而已。質子、中子和電子的質量又是從哪裡來的呢?

我們從質子和中子說起。質子和中子都是由三個夸克組成的。那麼,它們的質量是不是等於這些夸克的質量總和呢?這次,答案是否定的。組成質子和中子的夸克質量非常小。質子和中子的質量主要來自誇克之間的相互作用能量。

至於電子,至今我們還沒有發現它具有內部結構。那麼,電子的質量,是不是電子“本來”就具有的呢?也不是。由於受到物理理論“對稱性”的限制,電子本來是不能有質量的。不過,有一種叫“希格斯場”的物質像電磁場一樣瀰漫在空間之中,自發地破壞了這種對稱性。受到與希格斯場相互作用力的連累,電子不再可以像光一樣迅速地移動。於是,電子就獲得了質量。

物質的質量是從哪裡來的?

這種與希格斯場相互作用的機制,不僅使電子獲得了質量,而且是包括夸克的“淨重”在內的多種基本粒子的質量起源。比如說,作為四大基本相互作用力之一,弱相互作用力的力程很短,只能在比原子核半徑還小的範圍內起作用。其原因就是傳播弱相互作用力的粒子由於希格斯場機制獲得了質量。於是,在希格斯場的海洋裡,弱相互作用力就不能像電磁力一樣在很大的範圍內傳播了。

質能關係轉換以及希格斯場機制,是質量的兩大來源。2012年,大型強子對撞機實驗發現了希格斯粒子,並於2013年得到了證實。這個發現有力地支持了基本粒子通過希格斯場獲得質量的機制。


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