深度長文：到底是什么賦予了萬物質量？（近4000字，建議收藏）

我們都知道，宇宙萬物都有質量，那么萬物的質量到底是怎么來的？到底是什么賦予了萬物質量？

首先，我們需要了解到底什么是質量。

牛頓第二定律是這樣定義質量的：物體的加速度與其受到的外力成正比，而質量就是其中的比例系數(shù)。

同時，牛頓在萬有引力定律公式中，也是公式是的比例系數(shù)，是兩個物體之間的引力與距離平方的倒數(shù)之比。

這兩種對于質量的定義，其實就是大家熟悉的“慣性質量”和“引力質量”。

而另外一個偉大的物理學家愛因斯坦提出了更深刻的“等效原理”，認為慣性質量與引力質量是等價的。正是通過等效原理，引力可以在局域被“消除”掉，從狹義相對論中的慣性系擴展到所有的參照系，因為引力可以在局域等效為某個物體處于非慣性參照系里。這里就不再詳細展開講述了。

愛因斯坦還提出了偉大的引力場方程，這個方程可以讓我們以幾何圖像的方式了解引力，同時用數(shù)學語言描述質量是如何彎曲時空的。質量可以讓時空彎曲的理論也在1919年被證實，科學家們觀察到光線經過太陽附近時會發(fā)生彎曲。

講到這里，很多小伙伴或許也感覺到了：你講的質量頂多也只能算是質量產生的物理效應，比如說慣性還有時空彎曲等，但并沒有涉及質量的任何本質啊。

確實，無論是牛頓第二定律，還是愛因斯坦提出的時空彎曲效果等，都沒有從根上詮釋質量的來源。由于萬物都是由基本的微觀粒子組成的，所以，要想對質量追根溯源，我們需要走進微觀世界，從微觀粒子著手。

對于“質量的本質，質量到底從哪來的”這樣的問題，其實理論物理學家很早就開始研究了，從基本粒子的質量問題開始研究。

1983年，物理學家們發(fā)現(xiàn)了W和Z兩種玻色子，都是規(guī)范玻色子，按道理講，這兩種規(guī)范玻色子應該是沒有質量的。但實驗結果表明，W和Z兩種玻色子不僅有質量，而且質量還相當大。

作為粒子物理學匯總的基本理論，規(guī)范理論認為規(guī)范粒子就不應該有質量，而如今發(fā)現(xiàn)了W和Z兩種玻色子確實有質量，那么，是不是意味著規(guī)范理論存在問題呢？如果存在問題，與之有關的所有物理理論都要被推翻，這是當時的物理學界不愿意看到的。

好在通過之后的深入探索，科學家們注意到，早在W和Z玻色子被發(fā)現(xiàn)的幾十年之前，科學界就曾經提出過一個機制，名叫“希格斯機制”，在該機制下可以賦予規(guī)范粒子質量，同時還可以賦予像電子夸克這種基本粒子質量。

也就是說，W和Z玻色子的質量來源可以用希格斯機制來詮釋，不用推翻規(guī)范理論。

但是，雖然希格斯機制看起來很巧妙，但由于缺乏實驗驗證，一直備受質疑。為什么？

因為希格斯機制要想成立，就需要存在一種新的粒子：希格斯粒子（后來也被稱為“上帝粒子”），而其他微觀粒子的質量都是希格斯粒子賦予的。但是科學家們在實驗中并沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子存在的證據(jù)。

科學是相當嚴謹?shù)膶W科，需要大膽假設，但更需要假設之后的實驗驗證，所有的科學理論都必須以實驗為基礎，否則再漂亮再完美的理論都不是完備的理論，都不能得到科學界的認可。

同時，一個好的理論還必須能做出一定的預言，然后科學家們能夠用各種實驗來驗證（當然也可能否定）預言。最后的結果就是：能夠經得起實驗驗證的理論才是好理論，才會被保留下來。

而希格斯粒子就成了希格斯機制的一大缺陷，也是科學界一直不承認希格斯機制的主要原因。

時間來到2012年，這一年對于粒子物理學來講注定是非常重要的一年，因為科學家們通過不斷努力，終于找到了希格斯粒子存在的證據(jù)，意味著希格斯機制終于被驗證，這對于理論物體學來講是一大勝利。

那么希格斯機制下，希格斯粒子是如何賦予基本粒子質量呢？

首先我們需要從基本粒子之間的相互作用力開始說起，因為萬物都是由基本粒子組成的，而基本粒子都是通過自然界四種基本作用力“粘結”在一起的。

這四種基本作用力分別為：強力，弱力，電磁力和引力。這四種作用力可以傳遞大小不同的相互作用，在這個過程中形成巨大的能量，其實也是物質大部分能量的來源。比如說，強大的核能，原子彈和氫彈的能量就來自核子之間的強相互作用。

先從電磁力開始說起。電磁力其實是我們日常生活中最常見的力，除了引力之外我們能感受到的力都是電磁力，比如說摩擦力，彈力，各種機械力等其實都是電磁力。

電磁力是依靠光子來傳遞電磁相互作用的，通俗來講就是原子中的光子被扔來扔去，這個過程就傳遞了電磁力。不過這里的光子與我們平時所講的光子并不一樣，準確來講是“虛光子”。

強力，也就是強相互作用。如今我們已經知道質子和中子并非最小的基本粒子，因為每個質子和中子都是由三個夸克組成的。三個夸克是如何束縛在一起的呢？

就是膠子傳遞強相互作用，把夸克緊緊束縛在一起。與光子一樣，也可以理解為把膠子扔來扔去，而在扔膠子的時候夸克本身也會變色，這與夸克內在性質有關，具體就不再詳述了。

同時，強力還可以把兩個或多個質子以及中子束縛在一起，束縛的力量大于質子之間的排斥力。強力是基本作用力中最強大的力量，如果強力的力量為1，排在第二位的電磁力也僅有173分之一，而最弱的引力只有10的負39次方。

引力，在我們生活中無處不在，引力的傳播子是引力子，遺憾的是引力子目前還只是一個假象概念，科學家并沒有在實驗中發(fā)現(xiàn)引力子存在的證據(jù)。

弱力，弱力其實也很常見，最為明顯的表現(xiàn)就是核輻射。我們都知道，原子都是中性的，內部有多少帶正電的質子，就有多少帶負電的電子與之對應。不過當原子數(shù)量很多時，核外電子就變得難以束縛，于是原子就會發(fā)生衰變，最常見的就是貝塔衰變，具體過程就是，原子核通過俘獲電子使得質子通過夸克改變顏色的方式，變成中子，或者過程相反，中子釋放電子成為質子，而這個過程都需要玻色子來傳遞能量。

看到這里，不知道小伙伴們會有什么感覺，是不是感覺到有點亂，也很繁瑣。科學家們也是這么認為的。于是他們就想，有沒有一種辦法統(tǒng)一四大作用力呢？同時還有一個問題沒解決：質量到底是如何產生的。

剛才所講的四大相互作用起到了基本粒子的粘結作用，基本粒子粘結在一起，形成了各種宏觀物質，在粘結的過程中其實也蘊藏著巨大能量。不過當科學家們通過愛因斯坦的質能方程把蘊藏的能量換算成質量時，發(fā)現(xiàn)換算成的質量并不等于物體本身的質量。

舉個例子，質子由三個夸克組成，三個夸克通過強相互作用傳遞能量，但這種能量換算成質量之后，占了整個質子質量的99%，很明顯，剩下1%的質量來自夸克本身。那99%的質量很好理解，就是通過質能公式把能量轉換成的質量，但是剩下1%的質量來自哪里？也就是說夸克自身的質量到底來自哪里？

這時候就需要希格斯機制登場了。

希格斯機制的基礎是希格斯場。而“場”的概念源于數(shù)學家外爾，也被稱為“規(guī)范場”，因為科學家們寄希望于用場來同統(tǒng)一四大作用力。

規(guī)范場的概念可以用來解釋電磁場，而楊米爾斯理論通過對規(guī)范場進行微調，又把弱相互作用力囊括其中，這就有了弱力場。而物理學家蓋爾曼在楊米爾斯理論基礎上又進行了微調，把強相互作用收錄進去，這就有了膠子場。

于是，只有引力子還沒有被囊括進去。目前只有引力還被排除在外，沒有被統(tǒng)一，引力子仍舊只是假想概念。

按照規(guī)范場理論，一開始物理學家們認為所有的基本粒子都應該是沒有質量的，而物質體現(xiàn)出來的質量都是源于費米子（也就是電子夸克等基本粒子）在各種玻色子形成的場運動產生的，玻色子的運動傳遞能量，而能量又可以體現(xiàn)為質量。

但問題就在于，玻色子傳遞的能量表現(xiàn)出來的質量只有物體質量的99%，剛才也說了，科學家們也意識到夸克電子等費米子也是有質量的，而且傳遞弱力的W和Z玻色子同樣有質量，那么，這些質量到底是誰賦予的呢？

科學家們猜想，在那么多的場中，一定有一種特殊的場，通過某種機制讓部分基本粒子獲得質量，而部分粒子不會獲得質量，而這個機制就是希格斯機制。

上面說了，2012年，科學家發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的存在證據(jù)，是在大型粒子對撞機中發(fā)現(xiàn)的。

通俗理解希格斯機制是這樣的。宇宙中充滿了希格斯場，而希格斯場就像一片汪洋大海，通常處于最穩(wěn)定的基態(tài)，就像波瀾不驚的大海。但海水總是會受到隨機擾動，于是受到擾動之后的希格斯場就會變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，激發(fā)出希格斯粒子，也就是“上帝粒子”，正是上帝粒子賦予了基本粒子質量。

簡單來講，電子夸克這樣的基本粒子會與希格斯粒子發(fā)生作用，作用強度越大，質量就越大。而光子和膠子等玻色子不會與希格斯粒子發(fā)生作用，所以光子和膠子沒有質量，只能以光速飛行。

通俗來講，如果沒有希格斯粒子的存在，所有的基本粒子本應該都以光速飛行，但有了希格斯粒子的存在，一大部分基本粒子在以光速飛行的過程中受到了希格斯粒子的阻攔，從而發(fā)生了減速，在減速的過程中獲得了質量。至于哪些粒子會與希格斯粒子發(fā)生作用，還有作用的大小，與粒子本身的自旋和角動量等性質有關。

能夠看出，希格斯機制近乎完美地詮釋了質量的起源和本質。

但事實上并非如此，人們對質量本質的探索還遠沒有結束，畢竟我們看到的普通物質，也就是恒星物質只占了宇宙的5%，而希格斯機制只對這5%的物質管用，剩下的95%是由暗物質和暗能量組成的，而科學家對兩者的了解幾乎為零。

所以說，探索不止，關于質量還有更多的奧秘等待著人類。