宇宙萬物的“質量”是怎麽來的？只是質能公式這麽簡單嗎

在放屁少女的故事裡，我們談到了力的大家族裡的四位成員：引力、電磁力、強力和弱力，這四種力對這個世界來說都是很重要的。引力維持了宇宙中星球的運轉；（詳情請看放屁少女的貓糧哦）電磁力能將分子聚攏成物質，如果沒有它我們的身體都會四分五裂。

今天我們的內容中會出現四大力家族另一個重要成員——“強力”。強力是個非常重要的力，因為它解釋了一件事情：宇宙萬物絕大部分的“質量”，是怎麽來的。

當我們在談論體重時我們在談論什麽？

你可能反思過，為什麽短短兩年你的體重從 60 公斤變成了 80 公斤。但是你肯定沒有想過，為什麽人會有體重這個東西？廢話，每個東西都有質量啊，這不是天經地義嗎？

但實際上，在物理學家眼裡，“質量”是一個很神秘的東西。

近代人類開創了“物質由原子構成”的原子論。這個理論告訴我們，物質的質量是構成該物質的原子的質量總和。

原子中的原子核要遠重於電子，我們可以認為原子的質量基本上就是原子核的質量，而原子核又主要是由質子和中子構成的。所以，如果不算暗物質的話，可以說質子和中子集中了宇宙裡絕大多數的質量。

後來科學家發現，質子和中子還可以繼續分割，它們都由一種叫“誇克”的更加基本的粒子組成。不管是質子還是中子，都包含 3 個不同的誇克。

奇怪的是，如果仔細計算會發現，質子和中子的質量，竟然並不等於組成它們的 3 個誇克之和。而且差的還不是一星半點——3 個誇克的質量加起來竟然僅佔質子質量的 1%！那其他 99%的“神秘質量”是從哪裡來的呢？

說到這裡，我們不得不先提到愛因斯坦提出的那個具有劃時代意義的公式：

它揭示了能量和質量的本質其實是一種東西，是可以相互轉換的，而不是各自獨立存在。所以，這麽說來，物質的質量也不只是“粒子的質量*粒子的數量”，還要包括將粒子結合在一起的“能量”。

於是剛才那個問題，就有了解答，為什麽誇克的質量加起來也隻佔了質子或中子質量的 1%呢？因為另外 99%的質量，都是將誇克束縛在質子和中子中的“強力”的能量。

在質子和中子內部，強力以非常巨大的能量把 3 個誇克聚合在一起。根據愛因斯坦的公式，這些能量就可以計算為對應的質量。

另外，強力不但能讓誇克結合在一起構成質子和中子，還能將質子和中子結合在一起構成穩定的原子核，好讓那麽多的帶著正電的質子不至於因為互相排斥的電磁力而彈開。不過這個質子和中子之間的結合能在原子核的質量中所佔的份額小到可以忽略不計了（大概不到 1%）。

所以我們不但可以說，質子和中子的質量基本源於誇克之間強力的能量，還可以說原子核、原子、甚至我們身邊的物質，基本上都來自於誇克之間強力的能量。

這實在是個反直覺的事實，我的體重的來源竟然不是組成我身體的實實在在的“物質本身”，而是一些難以想象的“能量”？

什麽？你們竟然不是“零”？

科學家們還有一個更加困擾的問題。我們剛才說了，誇克的質量隻佔了質子和中子質量的 1%。但是，令物理學家們困惑的點不在於“竟然只有 1%”，而是“為什麽還能有 1%”？！因為，在他們看來，這些粒子壓根就不應該有質量！

有一些物理學家發明了一個理論框架，叫做“標準模型”。我們在放屁少女那期貓糧裡提到過這個模型，各種基本粒子的行為和除了引力外的三大基本力都可以用這個理論框架去解釋。按照它的預言，基本粒子應該是沒有質量的。換句話說，如果基本粒子質量都為零，那麽就可以完美符合標準模型的理論框架。

但令這些物理學家們束手無策的是，實驗的結果並不符合他們的設想！事實上，除了光子質量為 0 之外，其他的多數基本粒子，比如誇克、電子，都是有質量的！不同的基本粒子質量差距還相當大，比如頂誇克和上誇克，他們電荷相同，自旋相同，相互作用相同，但前者的質量是後者的 75000 倍。他們佔據著同樣的大小（物理學家認為基本粒子的體積都是 0），也具有一樣的行為，頂誇克也沒有比上誇克“料更足”，那為什麽他們其中一個卻更重呢？

總之，他們用這個萬能的標準模型根本解釋不了這些疑點，難道他們一開始就想錯了嗎？

標準模型的神助攻出現了！

後來，有個叫希格斯的物理學家找到了一個說法來彌補這個理論缺陷，他編出了一個粒子——希格斯玻色子，及其力場——希格斯場。根據他的理論，通過希格斯場的基本粒子，會和希格斯場產生作用，從而發生質量的變化。

那為什麽不同的基本粒子會有不同的質量呢，原因就在於這個希格斯場會“看人下菜碟”，對不同的粒子產生的作用也存在差異。

你可以把希格斯場想象成一個人山人海的廣場，如果是薛餓主編不理不理這種平平無奇的男士經過，壓根也不會有人搭理他。就像光子一樣，希格斯場對它不聞不問，沒有賜予它任何“質量”。

如果是一位擅長唱跳 rap 籃球的美男子經過，事情就會不一樣了。他走過路過之處，人群會紛紛簇擁到他的身上。就像誇克一樣，是廣場上熱情的粉絲給了他“質量”。當然，不同的誇克也仿佛一個偶像團體的不同成員，人氣有差異，人氣高的，撲上來的粉絲多，質量也就相對大一些。

如果你還想進一步了解到底是什麽因素決定了不同粒子在希格斯場的“人氣”高低，這個問題就比較深奧比較複雜了，在這裡也沒法三言兩語寫清楚。有興趣的朋友可以讀一下我們文末提到的書《強力與弱力》作進一步了解。

總之，希格斯理論是對物理學家們“差一點點就完美了”的標準模型的一個“神補刀”。這個猜想的提出是在 1964 年，從此科學家們就一直在苦苦尋找希格斯玻色子這個粒子的蹤跡。

終於，在 2012 年，歐洲核子研究中心宣布證實希格斯玻色子的存在！在當年成了一個轟動世界的大新聞。它證實了希格斯理論的真實性，補全了標準模型最後的一塊拚圖，從而讓物理學向著大一統的目標又邁進了堅實的一步。

在發布會上，希格斯他老人家激動得淚流滿面。