在放屁少女的故事里,我们谈到了力的大家族里的四位成员:引力、电磁力、强力和弱力,这四种力对这个世界来说都是很重要的。引力维持了宇宙中星球的运转;(详情请看放屁少女的猫粮哦)电磁力能将分子聚拢成物质,如果没有它我们的身体都会四分五裂。

质量是物理学的起点

今天我们的内容中会出现四大力家族另一个重要成员——“强力”。强力是个非常重要的力,因为它解释了一件事情:宇宙万物绝大部分的“质量”,是怎么来的。

关于“质量到底是什么?”这个问题,自从现代科学发展起来,就一直困扰着科学家们。最早给“质量”下定义的是牛顿,他在自己的著作《自然哲学的数学原理》中,开篇就给质量下了定义:物质的量是起源于同一物质的密度和大小联合起来的一种度量。

当我们在谈论体重时我们在谈论什么?

全球最大网赌正规平台 1

你可能反思过,为什么短短两年你的体重从 60 公斤变成了 80
公斤。但是你肯定没有想过,为什么人会有体重这个东西?废话,每个东西都有质量啊,这不是天经地义吗?

我们要知道的是,《自然哲学的数学原理》被认为是物理学的起点,而“质量”又是《自然哲学的数学原理》的起点,因此,即使说“质量”是物理学的起点都一点不过分。

全球最大网赌正规平台 2但实际上,在物理学家眼里,“质量”是一个很神秘的东西。”
style=”width:60%;margin:1rem auto”>

在《自然哲学的数学原理》中,牛顿就提到了“极精确的摆的实验”,这个实验表明了:质量和重量成正比。

{“type”:1,”value”:”近代人类开创了“物质由原子构成”的原子论。这个理论告诉我们,物质的质量是构成该物质的原子的质量总和。

全球最大网赌正规平台 3

原子中的原子核要远重于电子,我们可以认为原子的质量基本上就是原子核的质量,而原子核又主要是由质子和中子构成的。所以,如果不算暗物质的话,可以说质子和中子集中了宇宙里绝大多数的质量。

质量催生了化学

全球最大网赌正规平台 4

到了18世纪末,法国化学家拉瓦锡发现:化学反应前后物质的质量不变。

后来科学家发现,质子和中子还可以继续分割,它们都由一种叫“夸克”的更加基本的粒子组成。不管是质子还是中子,都包含
3 个不同的夸克。

全球最大网赌正规平台 5

全球最大网赌正规平台 6

也就是说,无论参与反应的物质如何变化,它们总体的质量是不变的。这也被称为:质量守恒定律。

奇怪的是,如果仔细计算会发现,质子和中子的质量,竟然并不等于组成它们的 3
个夸克之和。而且差的还不是一星半点——3
个夸克的质量加起来竟然仅占质子质量的 1%!那其他
99%的“神秘质量”是从哪里来的呢?

自从“质量守恒定律”被提出来,结合着道尔顿的“原子论”,化学开始成为一门可以定量分析的学科,正式成为了一门科学理论。所以,即使说“质量”是化学的起点,同样也不过分。

说到这里,我们不得不先提到爱因斯坦提出的那个具有划时代意义的公式:

全球最大网赌正规平台 7

全球最大网赌正规平台 8

也从这个时期开始,“原子论”让科学家相信,物质是可以分解的,并且最终可以得到不可分割的基本粒子。

它揭示了能量和质量的本质其实是一种东西,是可以相互转换的,而不是各自独立存在。所以,这么说来,物质的质量也不只是“粒子的质量*粒子的数量”,还要包括将粒子结合在一起的“能量”。

不过,那个时代的科学家认为,这个“不可再分的基本粒子”就是原子。

于是刚才那个问题,就有了解答,为什么夸克的质量加起来也只占了质子或中子质量的
1%呢?因为另外 99%的质量,都是将夸克束缚在质子和中子中的“强力”的能量。

全球最大网赌正规平台 9

全球最大网赌正规平台 10

粒子物理学的发展

在质子和中子内部,强力以非常巨大的能量把 3
个夸克聚合在一起。根据爱因斯坦的公式,这些能量就可以计算为对应的质量。

为了证明“原子论”,科学家用实验要求证。只是万万没想到,原子并非是不可再分的。先是卢瑟福引领了一波“轰击”潮流,他本人轰击过原子,原子核。

另外,强力不但能让夸克结合在一起构成质子和中子,还能将质子和中子结合在一起构成稳定的原子核,好让那么多的带着正电的质子不至于因为互相排斥的电磁力而弹开。不过这个质子和中子之间的结合能在原子核的质量中所占的份额小到可以忽略不计了。

全球最大网赌正规平台 11

全球最大网赌正规平台 12

而后来的科学家更狠,直接用上了高能粒子加速器,用“野蛮冲撞”的形式去想要撞开质子。

所以我们不但可以说,质子和中子的质量基本源于夸克之间强力的能量,还可以说原子核、原子、甚至我们身边的物质,基本上都来自于夸克之间强力的能量。

全球最大网赌正规平台 13

这实在是个反直觉的事实,我的体重的来源竟然不是组成我身体的实实在在的“物质本身”,而是一些难以想象的“能量”?

在一次次碰撞当中,他们硬是撞出了一个“粒子动物园”,前前后后发现了上百种粒子,最后构建起了一个粒子物理标准模型。

全球最大网赌正规平台 14

全球最大网赌正规平台 15

什么?你们竟然不是“零”?

全球最大网赌正规平台,基本粒子和质量

科学家们还有一个更加困扰的问题。我们刚才说了,夸克的质量只占了质子和中子质量的
1%。但是,令物理学家们困惑的点不在于“竟然只有 1%”,而是“为什么还能有
1%”?!因为,在他们看来,这些粒子压根就不应该有质量!

只是越撞,物理学家越迷糊。我们可以思考一下,按照“原子论”的说法,也就是物质都是原子构成的。那么,

全球最大网赌正规平台 16

物质的质量=原子的质量*原子的数量

有一些物理学家发明了一个理论框架,叫做“标准模型”。我们在放屁少女那期猫粮里提到过这个模型,各种基本粒子的行为和除了引力外的三大基本力都可以用这个理论框架去解释。按照它的预言,基本粒子应该是没有质量的。换句话说,如果基本粒子质量都为零,那么就可以完美符合标准模型的理论框架。

但由于,一般物质是有多种原子构成的,所以,其实是各种元素的“原子的质量*原子的数量”加起来,就是物质的质量。

但令这些物理学家们束手无策的是,实验的结果并不符合他们的设想!事实上,除了光子质量为
0
之外,其他的多数基本粒子,比如夸克、电子,都是有质量的!不同的基本粒子质量差距还相当大,比如顶夸克和上夸克,他们电荷相同,自旋相同,相互作用相同,但前者的质量是后者的
75000 倍。他们占据着同样的大小(物理学家认为基本粒子的体积都是
0),也具有一样的行为,顶夸克也没有比上夸克“料更足”,那为什么他们其中一个却更重呢?

我们可以把物质进行简化,假设就是研究“氢气”的质量,其实就是:

全球最大网赌正规平台 17

氢气的质量=氢原子的质量*氢原子的数量

总之,他们用这个万能的标准模型根本解释不了这些疑点,难道他们一开始就想错了吗?

可是随着粒子物理的发展,我们发现,原子还可以再分成电子和原子核。如果还是研究氢气的质量,那就变成了:

标准模型的神助攻出现了!

氢气的质量=电子的质量*电子的数量+原子核的质量*原子核的数量

后来,有个叫希格斯的物理学家找到了一个说法来弥补这个理论缺陷,他编出了一个粒子——希格斯玻色子,及其力场——希格斯场。根据他的理论,通过希格斯场的基本粒子,会和希格斯场产生作用,从而发生质量的变化。

全球最大网赌正规平台 18

那为什么不同的基本粒子会有不同的质量呢,原因就在于这个希格斯场会“看人下菜碟”,对不同的粒子产生的作用也存在差异。

而原子核还能继续分成质子和中子。所以氢气的质量又变成了:

你可以把希格斯场想象成一个人山人海的广场,如果是薛饿主编不理不理这种平平无奇的男士经过,压根也不会有人搭理他。就像光子一样,希格斯场对它不闻不问,没有赐予它任何“质量”。

氢气的质量=电子的质量*电子的数量+质子的质量*质子的数量+中子的质量*中子的数量

如果是一位擅长唱跳 rap
篮球的美男子经过,事情就会不一样了。他走过路过之处,人群会纷纷簇拥到他的身上。就像夸克一样,是广场上热情的粉丝给了他“质量”。当然,不同的夸克也仿佛一个偶像团体的不同成员,人气有差异,人气高的,扑上来的粉丝多,质量也就相对大一些。

接着呢?科学家又发现,质子和中子还可以再分成夸克。所以氢气的质量又变成了:

全球最大网赌正规平台 19

氢气的质量=电子的质量*电子的数量+夸克的质量*夸克的数量

如果你还想进一步了解到底是什么因素决定了不同粒子在希格斯场的“人气”高低,这个问题就比较深奥比较复杂了,在这里也没法三言两语写清楚。有兴趣的朋友可以读一下我们文末提到的书《强力与弱力》作进一步了解。

全球最大网赌正规平台 20

总之,希格斯理论是对物理学家们“差一点点就完美了”的标准模型的一个“神补刀”。这个猜想的提出是在
1964 年,从此科学家们就一直在苦苦寻找希格斯玻色子这个粒子的踪迹。

好在有“夸克禁闭”,科学家没办法进行把夸克再分下去,否则真的是没完没了了。一位搅局的人

终于,在 2012
年,欧洲核子研究中心宣布证实希格斯玻色子的存在!在当年成了一个轰动世界的大新闻。它证实了希格斯理论的真实性,补全了标准模型最后的一块拼图,从而让物理学向着大一统的目标又迈进了坚实的一步。

但是,有个大神跑来搅局,这位大神就是爱因斯坦,他提出了著名的质能方程。

在发布会上,希格斯他老人家激动得泪流满面。

全球最大网赌正规平台 21

全球最大网赌正规平台 22

在爱因斯坦发现,告诉我们一个道理,质量和能量并不是独立存在的物理量。

………………………….

因此,物质的质量并不是简单的基本粒子的质量加和,还要考虑到把基本粒子结合到一起的能量。意外的结果

他这一闹,其实反倒促进了人类对于质量的理解。于是,科学家开始研究各种结合能。

原子核和电子结合在一起的电磁能量只占原子质量的一亿分之一;

把质子和中子束缚在原子核内的核力的能量只占原子质量的1%;

质子和中子中的夸克也只原子质量的1%

这时,科学家就纳闷了,质子和中子剩余的99%的质量到底去哪里?按照爱因斯坦的理论来看,这个质量只能是作用于夸克的力产生的能量。也就是“强力”产生的能量。

全球最大网赌正规平台 23

也就是说,电子和夸克的质量只占总体质量极其小的比例,剩下的都是强力产生的能量。

惊不惊喜?意不意外?原来,万物的质量基本都是来自于束缚夸克的能量。我们只要通过E=MC^2,就可以换算出的质量。基本粒子的质量

虽然,我们已经知道了大部分的质量来源,但还有个问题,那就是质子和中子的质量到底是咋来的?

实际上,这个问题同样可以追问“电子的质量从哪来的?”,质子和中子是由夸克构成的,所以,我们可以合并成一个问题,“电子和夸克的质量是从哪来的?”

为了解决这个问题,科学家彼得希格斯等人提出了希格斯玻色子理论。

全球最大网赌正规平台 24

在这套理论中,科学家指出,

粒子可以通过与希格斯场之间相互作用获得质量;

希格斯场存在于整个宇宙中;

希格斯玻色子是希格斯场的振动。

全球最大网赌正规平台 25

因此,最后的结果聚焦到了希格斯玻色子上,如果我们能够在粒子加速器中找到希格斯玻色子,那就说明,我们知道了基本粒子的质量来源。

在欧洲大型强子对撞机LHC就一直在寻找希格斯玻色子。

全球最大网赌正规平台 26

2013年3月14号,他们正式对外宣布探测到了新粒子:希格斯玻色子。

全球最大网赌正规平台 27

当年的诺贝尔物理学奖就颁给了希格斯玻色子理论的希格斯与弗朗索瓦·恩格勒。

全球最大网赌正规平台 28

希格斯玻色子一直以来都被称为“上帝粒子”,很多人都知道它是粒子物理标准模型的最后一块拼图,从诺贝尔奖的颁奖速度就可以见其重要性。

可是,很多人对希格斯玻色子都有误会,很多人都认为物质的质量就是来自于希格斯玻色子,把它称为“万物的质量之源”。但这是不对的。

但实际上,希格斯玻色子只和物质质量的1%有关,而99%的物质质量来源于强相互作用。

以上就是粒子物理标准模型对于“物质的质量”的看法,也是目前主流的科学理论。

不过,前面我们也说到了质能方程E=MC^2,这个公式可以说是最常见的物理学公式了。在很多场合,比如:核聚变和核裂变中,很多人常常这么描述:核聚变/核裂变反应前后损失的一部分质量,根据质能方程,这部分质量转化成能量。

这种说法是正确的呢?还是错误的呢?我们下期再详细说。

相关文章