深度长文：到底是什么赋予了万物质量？（近4000字，建议收藏）

我们都知道，宇宙万物都有质量，那么万物的质量到底是怎么来的？到底是什么赋予了万物质量？

首先，我们需要了解到底什么是质量。

牛顿第二定律是这样定义质量的：物体的加速度与其受到的外力成正比，而质量就是其中的比例系数。

同时，牛顿在万有引力定律公式中，也是公式是的比例系数，是两个物体之间的引力与距离平方的倒数之比。

这两种对于质量的定义，其实就是大家熟悉的“惯性质量”和“引力质量”。

而另外一个伟大的物理学家爱因斯坦提出了更深刻的“等效原理”，认为惯性质量与引力质量是等价的。正是通过等效原理，引力可以在局域被“消除”掉，从狭义相对论中的惯性系扩展到所有的参照系，因为引力可以在局域等效为某个物体处于非惯性参照系里。这里就不再详细展开讲述了。

爱因斯坦还提出了伟大的引力场方程，这个方程可以让我们以几何图像的方式了解引力，同时用数学语言描述质量是如何弯曲时空的。质量可以让时空弯曲的理论也在1919年被证实，科学家们观察到光线经过太阳附近时会发生弯曲。

讲到这里，很多小伙伴或许也感觉到了：你讲的质量顶多也只能算是质量产生的物理效应，比如说惯性还有时空弯曲等，但并没有涉及质量的任何本质啊。

确实，无论是牛顿第二定律，还是爱因斯坦提出的时空弯曲效果等，都没有从根上诠释质量的来源。由于万物都是由基本的微观粒子组成的，所以，要想对质量追根溯源，我们需要走进微观世界，从微观粒子着手。

对于“质量的本质，质量到底从哪来的”这样的问题，其实理论物理学家很早就开始研究了，从基本粒子的质量问题开始研究。

1983年，物理学家们发现了W和Z两种玻色子，都是规范玻色子，按道理讲，这两种规范玻色子应该是没有质量的。但实验结果表明，W和Z两种玻色子不仅有质量，而且质量还相当大。

作为粒子物理学汇总的基本理论，规范理论认为规范粒子就不应该有质量，而如今发现了W和Z两种玻色子确实有质量，那么，是不是意味着规范理论存在问题呢？如果存在问题，与之有关的所有物理理论都要被推翻，这是当时的物理学界不愿意看到的。

好在通过之后的深入探索，科学家们注意到，早在W和Z玻色子被发现的几十年之前，科学界就曾经提出过一个机制，名叫“希格斯机制”，在该机制下可以赋予规范粒子质量，同时还可以赋予像电子夸克这种基本粒子质量。

也就是说，W和Z玻色子的质量来源可以用希格斯机制来诠释，不用推翻规范理论。

但是，虽然希格斯机制看起来很巧妙，但由于缺乏实验验证，一直备受质疑。为什么？

因为希格斯机制要想成立，就需要存在一种新的粒子：希格斯粒子（后来也被称为“上帝粒子”），而其他微观粒子的质量都是希格斯粒子赋予的。但是科学家们在实验中并没有发现希格斯粒子存在的证据。

科学是相当严谨的学科，需要大胆假设，但更需要假设之后的实验验证，所有的科学理论都必须以实验为基础，否则再漂亮再完美的理论都不是完备的理论，都不能得到科学界的认可。

同时，一个好的理论还必须能做出一定的预言，然后科学家们能够用各种实验来验证（当然也可能否定）预言。最后的结果就是：能够经得起实验验证的理论才是好理论，才会被保留下来。

而希格斯粒子就成了希格斯机制的一大缺陷，也是科学界一直不承认希格斯机制的主要原因。

时间来到2012年，这一年对于粒子物理学来讲注定是非常重要的一年，因为科学家们通过不断努力，终于找到了希格斯粒子存在的证据，意味着希格斯机制终于被验证，这对于理论物体学来讲是一大胜利。

那么希格斯机制下，希格斯粒子是如何赋予基本粒子质量呢？

首先我们需要从基本粒子之间的相互作用力开始说起，因为万物都是由基本粒子组成的，而基本粒子都是通过自然界四种基本作用力“粘结”在一起的。

这四种基本作用力分别为：强力，弱力，电磁力和引力。这四种作用力可以传递大小不同的相互作用，在这个过程中形成巨大的能量，其实也是物质大部分能量的来源。比如说，强大的核能，原子弹和氢弹的能量就来自核子之间的强相互作用。

先从电磁力开始说起。电磁力其实是我们日常生活中最常见的力，除了引力之外我们能感受到的力都是电磁力，比如说摩擦力，弹力，各种机械力等其实都是电磁力。

电磁力是依靠光子来传递电磁相互作用的，通俗来讲就是原子中的光子被扔来扔去，这个过程就传递了电磁力。不过这里的光子与我们平时所讲的光子并不一样，准确来讲是“虚光子”。

强力，也就是强相互作用。如今我们已经知道质子和中子并非最小的基本粒子，因为每个质子和中子都是由三个夸克组成的。三个夸克是如何束缚在一起的呢？

就是胶子传递强相互作用，把夸克紧紧束缚在一起。与光子一样，也可以理解为把胶子扔来扔去，而在扔胶子的时候夸克本身也会变色，这与夸克内在性质有关，具体就不再详述了。

同时，强力还可以把两个或多个质子以及中子束缚在一起，束缚的力量大于质子之间的排斥力。强力是基本作用力中最强大的力量，如果强力的力量为1，排在第二位的电磁力也仅有173分之一，而最弱的引力只有10的负39次方。

引力，在我们生活中无处不在，引力的传播子是引力子，遗憾的是引力子目前还只是一个假象概念，科学家并没有在实验中发现引力子存在的证据。

弱力，弱力其实也很常见，最为明显的表现就是核辐射。我们都知道，原子都是中性的，内部有多少带正电的质子，就有多少带负电的电子与之对应。不过当原子数量很多时，核外电子就变得难以束缚，于是原子就会发生衰变，最常见的就是贝塔衰变，具体过程就是，原子核通过俘获电子使得质子通过夸克改变颜色的方式，变成中子，或者过程相反，中子释放电子成为质子，而这个过程都需要玻色子来传递能量。

看到这里，不知道小伙伴们会有什么感觉，是不是感觉到有点乱，也很繁琐。科学家们也是这么认为的。于是他们就想，有没有一种办法统一四大作用力呢？同时还有一个问题没解决：质量到底是如何产生的。

刚才所讲的四大相互作用起到了基本粒子的粘结作用，基本粒子粘结在一起，形成了各种宏观物质，在粘结的过程中其实也蕴藏着巨大能量。不过当科学家们通过爱因斯坦的质能方程把蕴藏的能量换算成质量时，发现换算成的质量并不等于物体本身的质量。

举个例子，质子由三个夸克组成，三个夸克通过强相互作用传递能量，但这种能量换算成质量之后，占了整个质子质量的99%，很明显，剩下1%的质量来自夸克本身。那99%的质量很好理解，就是通过质能公式把能量转换成的质量，但是剩下1%的质量来自哪里？也就是说夸克自身的质量到底来自哪里？

这时候就需要希格斯机制登场了。

希格斯机制的基础是希格斯场。而“场”的概念源于数学家外尔，也被称为“规范场”，因为科学家们寄希望于用场来同统一四大作用力。

规范场的概念可以用来解释电磁场，而杨米尔斯理论通过对规范场进行微调，又把弱相互作用力囊括其中，这就有了弱力场。而物理学家盖尔曼在杨米尔斯理论基础上又进行了微调，把强相互作用收录进去，这就有了胶子场。

于是，只有引力子还没有被囊括进去。目前只有引力还被排除在外，没有被统一，引力子仍旧只是假想概念。

按照规范场理论，一开始物理学家们认为所有的基本粒子都应该是没有质量的，而物质体现出来的质量都是源于费米子（也就是电子夸克等基本粒子）在各种玻色子形成的场运动产生的，玻色子的运动传递能量，而能量又可以体现为质量。

但问题就在于，玻色子传递的能量表现出来的质量只有物体质量的99%，刚才也说了，科学家们也意识到夸克电子等费米子也是有质量的，而且传递弱力的W和Z玻色子同样有质量，那么，这些质量到底是谁赋予的呢？

科学家们猜想，在那么多的场中，一定有一种特殊的场，通过某种机制让部分基本粒子获得质量，而部分粒子不会获得质量，而这个机制就是希格斯机制。

上面说了，2012年，科学家发现了希格斯粒子的存在证据，是在大型粒子对撞机中发现的。

通俗理解希格斯机制是这样的。宇宙中充满了希格斯场，而希格斯场就像一片汪洋大海，通常处于最稳定的基态，就像波澜不惊的大海。但海水总是会受到随机扰动，于是受到扰动之后的希格斯场就会变为激发态，激发出希格斯粒子，也就是“上帝粒子”，正是上帝粒子赋予了基本粒子质量。

简单来讲，电子夸克这样的基本粒子会与希格斯粒子发生作用，作用强度越大，质量就越大。而光子和胶子等玻色子不会与希格斯粒子发生作用，所以光子和胶子没有质量，只能以光速飞行。

通俗来讲，如果没有希格斯粒子的存在，所有的基本粒子本应该都以光速飞行，但有了希格斯粒子的存在，一大部分基本粒子在以光速飞行的过程中受到了希格斯粒子的阻拦，从而发生了减速，在减速的过程中获得了质量。至于哪些粒子会与希格斯粒子发生作用，还有作用的大小，与粒子本身的自旋和角动量等性质有关。

能够看出，希格斯机制近乎完美地诠释了质量的起源和本质。

但事实上并非如此，人们对质量本质的探索还远没有结束，毕竟我们看到的普通物质，也就是恒星物质只占了宇宙的5%，而希格斯机制只对这5%的物质管用，剩下的95%是由暗物质和暗能量组成的，而科学家对两者的了解几乎为零。

所以说，探索不止，关于质量还有更多的奥秘等待着人类。