物理學科普：質量是什麼？

從幾何來說，質量是一種幾何測度沿著時空扭結的積分。積分的結果像體積但不是體積——它是一種特殊的測度，包含的信息是積分時轉過的角度，走過的路程，度規的收縮擴張——這些信息能推演出粒子的荷和對稱性。

從力學的對稱性來說，慣性質量是最基本的形式，它是個洛倫玆不變數，這是在所有基本力裡面都可發揮作用的質量概念，它事實上包含兩個守恆：動量守恆和能量守恆，靠這兩個能夠決定很多相互作用的能量分配。

從動力學來說，現有理論發展出規範質量和手征外推質量。其實就是利用拉格朗日量做一番計算，然後「嗶——」的一聲，聲稱有質量了。不是說那不是質量，只是絕對算不上解釋了質量。

慣性質量之外，每種相互作用還有一種對應的質量概念。 引力對應引力質量，電磁力對應電磁質量，弱力對應弱質量，強核力對應強質量。 當然現有理論沒有聽說過弱質量和強質量，所以我不打算繼續說了。

如果存在一個能解釋質量是什麼的理論，那麼用它的微分形式積分，一定、絕對、毫無例外的可以簡單積出所有基本粒子的質量值——現在並沒有這樣的理論，因此最常被安利的Higgs機制不可能是正確的關於質量的解釋。

廣義相對論里，有時空的質量的概念，原則上要被考慮進去(或者叫它能量，不要問我時空的質量和能量有什麼區別)，最簡單兩個例子：

1、Minkowski時空，質量(能量)為零，符合直覺。

2、史瓦西黑洞時空的質量就是產生黑洞中物質的質量(比如考慮一個緻密質點產生黑洞)，也符合直覺。

還有個有趣的地方是，其實在時空的質量領域裡，在某些情形下也是存在質量間隙，如BTZ黑洞（在二維量子引力中出現的黑洞）：這是一個2+1維的具有負宇宙學常數的時空，BTZ三個人發現可以存在黑洞，在連續黑洞譜(由質量、角動量、電荷等參數完全描述)與反德西特時空間(基態)之間存在一個質量間隙，這兩種時空無法連續地變形成對方，因為它們之間的時空狀態存在裸的錐奇點沒有被視界包裹。

基本粒子本身，實際上就是能量。希格斯場賦予某些粒子質量，實際上還是粒子能量的體現。現在我們通過希格斯場，已經接觸到了質量的本質。那麼，把這些基本粒子的從希格斯場獲得的能量加起來，我們是不是就可以解釋物體的靜質量了呢？答案是，遠遠不能。

一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成。夸克通過強力結合在一起。強力由沒有質量的膠子傳遞。三個夸克的質量加起來是8.1到11.3 MeV/c^（這是一個質量單位），而一個質子的質量是938 MeV/c^。所以夸克只貢獻了1%的質子質量，99%的質量從哪裡來的呢？

總之，質量就是能量，具體的說，不同種類的能量。對我們直接有用的能量類型很有限，包括熱能，動能，輻射能等。其他封裝在物質中的能量必須轉化成這幾種能量才能為我們所用。然而，這樣的轉化非常困難，目前我們所用的化學能，甚至核能，轉化的效率都非常低。要想得到真正100%的轉換效率，只有一種辦法，就是正反物質湮滅。

（圖片來源網路）

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