尋找萬物的本源4：質量從何而來？

質量是物理學的起點

關於「質量到底是什麼?」這個問題，自從現代科學發展起來，就一直困擾著科學家們。最早給「質量」下定義的是牛頓，他在自己的著作《自然哲學的數學原理》中，開篇就給質量下了定義：

物質的量是起源於同一物質的密度和大小聯合起來的一種度量。

我們要知道的是，《自然哲學的數學原理》被認為是物理學的起點，而「質量」又是《自然哲學的數學原理》的起點，因此，即使說「質量」是物理學的起點都一點不過分。

在《自然哲學的數學原理》中，牛頓就提到了「極精確的擺的實驗」，這個實驗表明了：

質量和重量成正比。

質量催生了化學

到了18世紀末，法國化學家拉瓦錫發現：

化學反應前後物質的質量不變。

也就是說，無論參與反應的物質如何變化，它們總體的質量是不變的。這也被稱為：質量守恆定律。

自從「質量守恆定律」被提出來，結合著道爾頓的「原子論」，化學開始成為一門可以定量分析的學科，正式成為了一門科學理論。所以，即使說「質量」是化學的起點，同樣也不過分。

也從這個時期開始，「原子論」讓科學家相信，

物質是可以分解的，並且最終可以得到不可分割的基本粒子。

不過，那個時代的科學家認為，這個「不可再分的基本粒子」就是原子。

粒子物理學的發展

為了證明「原子論」，科學家用實驗求證。只是萬萬沒想到，原子並非是不可再分的。先是盧瑟福引領了一波「轟擊」潮流，他本人轟擊過原子，原子核。

而後來的科學家更狠，直接用上了高能粒子加速器，用「野蠻衝撞」的形式去想要撞開質子。

在一次次碰撞當中，他們硬是撞出了一個「粒子動物園」，前前後後發現了上百種粒子，最後構建起了一個粒子物理標準模型。

基本粒子和質量

只是越撞，物理學家越迷糊。我們可以思考一下，按照「原子論」的說法，也就是物質都是原子構成的。那麼，

物質的質量=原子的質量*原子的數量

但由於，一般物質是有多種原子構成的，所以，其實是各種元素的「原子的質量*原子的數量」加起來，就是物質的質量。

我們可以把物質進行簡化，假設就是研究「氫氣」的質量，其實就是：

氫氣的質量=氫原子的質量*氫原子的數量

可是隨著粒子物理的發展，我們發現，原子還可以再分成電子和原子核。如果還是研究氫氣的質量，那就變成了：

氫氣的質量=電子的質量*電子的數量 原子核的質量*原子核的數量

而原子核還能繼續分成質子和中子。所以氫氣的質量又變成了：

氫氣的質量=電子的質量*電子的數量 質子的質量*質子的數量 中子的質量*中子的數量

接著呢？科學家又發現，質子和中子還可以再分成夸克。所以氫氣的質量又變成了：

氫氣的質量=電子的質量*電子的數量 夸克的質量*夸克的數量

好在有「夸克禁閉」，科學家沒辦法進行把夸克再分下去，否則真的是沒完沒了了。

一位攪局的人

但是，有個大神跑來攪局，這位大神就是愛因斯坦，他提出了著名的質能方程。

在愛因斯坦發現，告訴我們一個道理，

質量和能量並不是獨立存在的物理量。

因此，物質的質量並不是簡單的基本粒子的質量加和，還要考慮到把基本粒子結合到一起的能量。

意外的結果

他這一鬧，其實反倒促進了人類對於質量的理解。於是，科學家開始研究各種結合能。

原子核和電子結合在一起的電磁能量只佔原子質量的一億分之一；

把質子和中子束縛在原子核內的核力的能量只佔原子質量的1%；

質子和中子中的夸克也只是原子質量的1%

這時，科學家就納悶了，質子和中子剩餘的99%的質量到底去哪裡？按照愛因斯坦的理論來看，這個質量只能是作用於夸克的力產生的能量。也就是「強力」產生的能量。

也就是說，電子和夸克的質量只佔總體質量極其小的比例（1%），剩下的都是強力產生的能量。

驚不驚喜?意不意外？原來，萬物的質量基本（99%）都是來自於束縛夸克的能量。我們只要通過E=MC^2，就可以換算出的質量。

基本粒子的質量

雖然，我們已經知道了大部分的質量來源，但還有個問題，那就是質子和中子的質量到底是咋來的？

實際上，這個問題同樣可以追問「電子的質量從哪來的？」，質子和中子是由夸克構成的，所以，我們可以合併成一個問題，「電子和夸克的質量是從哪來的？」

為了解決這個問題，科學家彼得希格斯等人提出了希格斯玻色子理論。

在這套理論中，科學家指出，

粒子可以通過與希格斯場之間相互作用獲得質量；

希格斯場存在於整個宇宙中；

希格斯玻色子是希格斯場的振動。

因此，最後的結果聚焦到了希格斯玻色子上，如果我們能夠在粒子加速器中找到希格斯玻色子，那就說明，我們知道了基本粒子的質量來源。

在歐洲大型強子對撞機LHC就一直在尋找希格斯玻色子。

2013年3月14號，他們正式對外宣布探測到了新粒子：希格斯玻色子。

當年的諾貝爾物理學獎就頒給了希格斯玻色子理論的希格斯與弗朗索瓦·恩格勒。

希格斯玻色子一直以來都被稱為「上帝粒子」，很多人都知道它是粒子物理標準模型的最後一塊拼圖，從諾貝爾獎的頒獎速度就可以見其重要性。

可是，很多人對希格斯玻色子都有誤會，很多人都認為物質的質量就是來自於希格斯玻色子，把它稱為「萬物的質量之源」。但這是不對的。

但實際上，希格斯玻色子只和物質質量的1%有關，而99%的物質質量來源於強相互作用。

以上就是粒子物理標準模型對於「物質的質量」的看法，也是目前主流的科學理論。

不過，前面我們也說到了質能方程E=MC^2，這個公式可以說是最常見的物理學公式了。在很多場合，比如：核聚變和核裂變中，很多人常常這麼描述：

核聚變/核裂變反應前後損失的一部分質量，根據質能方程，這部分質量轉化成能量。

這種說法是正確的呢？還是錯誤的呢？我們下期再詳細說。

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