“为什么石头比羽毛重?”“我们自身的质量从何而来?” 人类对 “质量” 的追问已延续数百年。
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从牛顿力学的经典定义,到相对论的颠覆性解读,再到希格斯场的突破性答案,科学家们一步步揭开了 “万物质量来源” 的神秘面纱。
在牛顿力学的框架中,质量被定义为 “物体惯性的大小”,也是 “物体产生引力的根源”。
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比如推动一辆汽车比推动一辆自行车更费力,是因为汽车的惯性质量更大;苹果会落地,是因为地球和苹果的引力质量相互作用。牛顿认为质量是物体固有的属性,就像物体的颜色、形状一样,不随外界环境变化。这一观点完美解释了日常生活中的力学现象,也支撑了经典物理学的发展,但它并未回答 “质量本身从何而来”—— 为何不同物质的质量会有差异?质量的本质究竟是什么?
爱因斯坦的相对论打破了牛顿对质量的认知。
狭义相对论提出 “质量与能量等价”,即著名的公式 E=mc²,表明质量可以转化为能量,能量也能转化为质量。例如核反应中,少量质量损失会释放巨大能量;而高能粒子碰撞时,能量也能 “创造” 出新的有质量粒子。广义相对论则进一步将质量与时空联系起来,认为有质量的物体能弯曲周围时空,而时空弯曲又会影响物体的运动 —— 这正是引力的本质。
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相对论让人类意识到质量并非 “绝对固有”,而是与能量、时空紧密相关,但它依然没有彻底解决 “质量起源” 的核心问题:构成物质的基本粒子,其质量从何而来?
真正为 “质量起源” 提供关键答案的,是希格斯场理论。20 世纪 60 年代,物理学家彼得・希格斯等人提出:宇宙中弥漫着一种名为 “希格斯场” 的无形场域,基本粒子(如电子、夸克)在穿过希格斯场时,会与场中的希格斯玻色子发生相互作用 —— 就像人在黏稠的糖浆中行走会受到阻力一样,这种相互作用会 “赋予” 粒子质量。
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不同粒子与希格斯场的相互作用强度不同,质量也随之不同:比如光子不与希格斯场相互作用,所以光子没有质量,能以光速传播;而电子、夸克等粒子因与希格斯场相互作用,才拥有了质量,进而构成了原子、分子,最终形成了我们所见的万物。
2012 年,欧洲核子研究中心(CERN)通过大型强子对撞机(LHC),成功探测到了希格斯玻色子的存在 —— 这一被称为 “上帝粒子” 的发现,直接证实了希格斯场的存在,也让希格斯场理论从猜想变为科学事实。至此,“万物质量来源” 的链条终于完整:希格斯场赋予基本粒子质量,基本粒子构成原子核与电子,原子核与电子构成原子,原子构成分子,分子构成物质,最终形成了具有质量的万物。
从牛顿力学对质量的 “描述”,到相对论对质量与能量、时空关系的 “拓展”,再到希格斯场对质量 “起源” 的 “揭秘”,人类对质量的认知不断深化。这一过程不仅展现了科学探索的严谨与突破,也让我们明白:看似简单的 “质量”,背后藏着宇宙最深刻的运行规律。
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