作者:天体生物学·黄姤

一个充满禅意表达一个哲理的词语“色即是空”,这里面的“色”指的是物体也就是实实在在的物质,而“空”代表什么都没有,这个词语表面的意思就是“看上去实实在在的物体实际上什么都没有”。

实际上现代物理学越往深处研究就越发现现实的世界也是这个样子的,现代的物理学中大部分的物质都是空的,构成物质的原子,大部分的质量都集中在微小的原子核里,而在原子核和电子之间大部分的空间都是空的。在一个原子里原子核的质量占了99%以上,但是它在原子里所占的空间,就好像一颗星星在宇宙里面所占的空间一样。

越是符合直观的东西,越有可能违背基本的物理定律-MAAMX

图解:原子结构

为什么这么小的物质能占据这么大的质量?如果更深一步追问质量到底是什么,这个问题细究下去会得出更惊人的答案

我们生活在地球上,每个人都能感觉到质量的存在,对于我们来说,质量就直接关系到我们受到地球的引力,表面出来的结果就是一个物体的重量,如果我们缺乏锻炼,经常暴饮暴食,体重就会增加,用严格一点的表述来说,就是我们的质量增加了,当我们自己作为一个物体质量增加的时候,肯定会去分析是身体多了哪些部分,一般来说增加的部分就是脂肪,细想一下增加了多少脂肪,作为身体的一个整体,就增加了多少质量,这是非常符合直观的。但是说到这我们还要再强调一次,越是符合直观的东西,越有可能违背最基本的物理定律,下面重新来审视一下这个问题。

一个有质量的东西,它的质量是不是等于各部分之和呢?如果把一个苹果切成两半,那么原来这个苹果的总质量就应该等于被切开的这2块苹果质量的总和,如果把苹果切成4块,它的质量就是4块质量的总和,按照这样推算下去,如果你把它切成n块,就可以把这n块的质量相加得出它的总质量,在大多数情况下这个是对的,但如果把一个苹果切得足够小,比如让n>10^23(10的后面带23个“0”),一旦超过了这个数情况就不一样了。

越是符合直观的东西,越有可能违背基本的物理定律-MAAMX

先来说一下,在物理学上对“质量”的严格定义:

质量,它是抵抗物体速度发生改变的一个性质,如果去推一个东西,它就会加速,如果用同样的力气去推另一个东西,另一个东西加速起来比较困难,那第二个东西的质量比第一个东西的质量要大。

举例说明:在很光滑的冰面上推一辆黄包车,和去推一辆坐了人的黄包车,所花的力气也是不一样的。

一个坐了人的黄包车比一辆空的黄包车质量要大,但是质量大并不是一个东西更难推动的根本原因,我们的理解应该是反过来的,就是只要一个东西更难推动,我们就定义它的质量更大,这个表象把它定义为质量,在这里定义的质量叫做“惯性质量”,这是因为物体对于加速度的抵抗,通常被称为“惯性”。

现在回到切苹果这件事上,当把苹果切的非常小,切到原子级别的时候,原本束缚苹果原子的结合能被打破了,那么被切成小碎块的苹果的总质量就会减少,实际上当把一个苹果切成两半的时候,它的质量就已经变少了,只不过它减少的量实在是太微小了,所以注意不到它,但是如果把一个苹果切到了原子的级别,然后去测量每一个原子的质量,然后把这些质量相加,最后和原来苹果的总质量去做对比,就会发现这里面质量变少了,这个不是计算的结果,而是在实验室里实实在在观测到的现象。

当然切苹果这个例子,质量的损失还是比较小的,因为一个苹果它总体的质量并不大,在这个实验里面,如果把苹果切成原子,再把原子切成质子、中子和电子,这个过程中会损失多少质量呢?

越是符合直观的东西,越有可能违背基本的物理定律-MAAMX

大概会损失0.001%。

如果一开始切的对象就是很小的粒子,那情况就完全不一样了,比如把一个质子分割成夸克(上夸克和下夸克)在这个过程中会看到巨大的质量差,这个质量的差如此巨大,以至于会发现质子和中子大部分的质量都来自于束缚夸克的结合能,切割后夸克的质量和原来质子的质量,它的比例大概是多少呢?约是1%,其余的99%都来自于使夸克聚集在一起的能量,换句话说,储存在粒子之间这些结合件中的能量比物体各部分的质量的总和要大的多,达到两个数量级这么多,这个完全不符合人们的直觉。

举例说明:

10台手机,分别测量它们的质量,然后就可以直接计算出这10台手机总共的质量,这很简单对吧,可是如果把这10台手机放到一个能量非常大的炉子里,然后用非常大的能量把这10台手机挤压在一起,变成一台新的手机,这台新的手机,它的质量比原来10台手机加起来的质量要大很多,这里的原因就在于新的手机质量不仅来自于原来手机的质量,还来自于把它们束缚在一起的能量,这台手机的总质量不仅仅包括它各个部分的质量,还包括使这些部分维持在一起的能量。

为什么质量大多数来自于这些能量呢?

说实话不知道,科学家们真的不知道这种能量为什么会影响物体对“力”的反应,推一个物体的时候只会直接感受到它物质的重量,而不会感受到它里面的能量,这个就是质量最大的谜团,尽管可以测量一个物体的质量,但真的不知道惯性是什么,也不知道它和质量能量之间为什么有这种奇特的联系,这个就像我们知道光速是这个宇宙的极限,但我们不知道为什么要有这种极限。

到了夸克这个级别,实体的东西在物理概念里头压根是不存在的

质子和中子可以分解成上夸克和下夸克,但是要知道这个夸克它可不是什么具体的东西,实际上根本就没有所谓东西这样的东西,到了夸克这个级别,实体的东西在物理概念里面是不存在的。在目前的理论里,粒子实际上是空间中不可分割的一个点,在理论上它们处在三维空间一个无限小的位置上,它的体积是“0”,也就是它们没有大小,没有大小意味着什么呢?

我们每一个人都是由粒子构成的,但是每一个粒子所占的空间又是“0”,这个不意味着物体的大部分是空的,而是说物体的整个就是空的。

物理学中没有东西这个定义是什么意思?

一个东西它有质量、有体积,质量除以体积就是它的密度,那一个电子它的密度是多少呢,这个问题就没法回答了,因为一个电子它是有质量的,但是它的体积又是“0”,用质量除以体积“0”是不能作为分母的,也就是说一个电子的密度它是没有定义的。

“上夸克”和“顶夸克”,这两个夸克它们带的电荷相同,自旋的情况也相同,它们所受到的基本力也相同,它们只有一个物理量不相同就是——质量,它们的质量相差非常多,顶夸克的质量是上夸克的75000倍,如果作为一个常规物质去理解它,那你就会想,肯定是顶夸克的密度比上夸克的密度大,但是物理学的定义它们所占有的空间都是“0”。

越是符合直观的东西,越有可能违背基本的物理定律-MAAMX

为什么它们中有一个质量那么大,而另外一个却不包含更多的物质呢?

这是因为粒子不是像我们日常生活中理解的任何东西,当用看待日常物体的目光去看待基本粒子的时候,就会出现这样的悖论,我们很容易把粒子想象成一个微小的小球,它有一定的体积也有一定的质量,但其实真实的粒子并不是这样的,我们甚至不知道真实的粒子它到底是什么样子的,因为要知道一个物体是什么样子的,总得看到它,但是当把一个粒子拆分成非常小的颗粒的时候,它的直径比光的波长还要小很多倍,根本就没法通过发射一道光来看到它,如果你非要问,粒子它到底是一个什么样子呢,这个问题不仅物理学家没法回答,甚至也是没有意义的,在量子力学里面这些微小的粒子是在一个怪诞的场里面的一个小波动,这个波动是弥漫在整个宇宙里的,这就意味着小球模型根本就解释不了它们遵循的规律。

一个粒子所处的位置它是遵循概率的,可以有99%的概率在你身边周围的空间里找到这个粒子,找不到它的概率也有非常低的,甚至低于0.0……1%。

一个微小的粒子可以有一定的概率穿过任何物体,不需要借助任何的外力,微小粒子的行为实在是太奇怪了,在现代物理学的研究里,粒子的模型早已经失效了。

一个光子它是没有质量的,所以它才可以达到光速,但是一个光子它既没有体积也没有质量,它要怎么可能是一个东西呢,一个东西它必须有物质,也就是必须有质量,那必然会得出一个结论,没有质量的粒子是不存在的。

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惯性质量

质量不是一个物体内在的一个属性,而是我们人为的给它标上的一个标记,这么去想象质量非常的困难,但其实在其他的领域早已经这样做了。

比如一个粒子所携带的电荷的时候,电子有负电荷,质子有正电荷,那么这个电荷它到底是什么呢?它到底在电子和质子里面的什么位置呢?这个电荷是被携带在电子的表面还是它的内部?是什么东西把电荷给了电子呢?既然电子的体积已经是“0”了,它有那么多的空间来容纳这个电荷吗?实际上并没有人去问这些问题,因为电荷并不是电子所携带的真实的东西,它只是观察电子的时候发现的一个现象,然后我们把这个现象贴上了一个数学的标记,如果用同样的方式来思考质量就说的通了,电荷意味着一个粒子可以受到电场的影响,那么质量就意味着一个粒子它可以受到重力场的影响,一个物体的电荷数就决定了它在同样的电磁场里面会受到多强的作用力,与此类似的一个粒子的质量就给了它自身一个惯性,也就是在重力场里面阻抗运动的一个特性,顶夸克比上夸克质量大很多,这并不意味着顶夸克还有更多质量的物质,而是说顶夸克在整个重力场中比上夸克更加难以移动,它的惯性更大,这只是一个标记而已,一个粒子和“希格斯场”相互作用产生的惯性,也就是这个粒子的质量。

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“希格斯玻色子”,在说这个“希格斯玻色子”之前,要先说一下传递力的粒子,物质被分为12种基本粒子,它们都是属于物质这个范畴的,但是宇宙里面除了实实在在的物质,还存在4种基本的力,这4种基本的力就是——引力、电磁力、强核力和弱核力,那这4种基本能力是通过什么东西传递的呢?那么传递力的粒子都是什么呢?

传递力也是需要粒子的,传递电磁力的粒子就是“光子”,传递强核力的粒子叫做“胶子”,传递弱核力的粒子叫“玻色子”,“玻色子”又分为“W玻色子”和”Z玻色子”,直到现在一直没有找到传递引力的粒子,但是科学家就是特别擅长列表格,他们列出了一个表格,发现这个位置差一个粒子,于是科学界拼命地在找它,所以当“希格斯玻色子”被发现的时候,纽约时报称这是科学进程可以提供给现代文明的最好例证,用科学理论列出了一张表格,当还根本没有发现一个粒子存在的时候就预言了它的存在,这也证实了寻找规律的过程可以引导我们理解宇宙,寻找“希格斯玻色子”的过程这里就不详细说了,这个过程非常的曲折,简单来说这个想法来自于对传递力的粒子,对这些粒子的规律研究发现,它们有的东西没有质量,比如光子,而有的东西质量却非常大,比如“希格斯玻色子”,那它们都是用来传递力的,为什么有的没有质量,有的质量却很大呢?

一位叫“彼得·希格斯”的科学家和其他几位物理学家研究了好长一段时间,终于在数学上找到了一个自圆其说的办法,也就是纯粹用数学的方式加一些参数进去,他们给方程里面添加了一个粒子,也就是“希格斯玻色子”,又添加了一个力场,这个立场有点类似于电磁场,把这个场命名为“希格斯场”,然后他们把质量当做粒子的标记,这个标记定义了有的粒子的质量比其他粒子的大,这只是人们在数学上的定义,这并不意味着人们发现了某些粒子比另外一些粒子多了些东西。

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解释一下“希格斯场”

假设有一个弥漫在整个宇宙的力场,这个力场它的作用不吸引或者排斥任何东西,它唯一的作用就是使粒子更难加速或者更难减速,这个力场所表现出来的效果就是物质的惯性质量,那么一个粒子与这个力场相互的作用越多,它表现出来的惯性也就越大,一个粒子和“希格斯场”相互作用产生的惯性,也就是这个粒子的质量,有些粒子和这个场的作用比较强,这就意味着它们要费很大的力气才能加速,那这些粒子的质量就比较大。也有一些粒子,几乎不受到这个场的影响,所以它能轻松的加速,这些物体表现出来的就是几乎没有质量。

为什么不同的粒子会有不同的质量呢?

“希格斯”理论给出的解答就是,因为“希格斯场”对不同粒子自带的一个性质,这个理论并没有告诉我们物质粒子的质量遵循一个什么样的规律,为什么不同粒子它的质量不一样,这就好像每种粒子它的质量是随机贴上去的一个标记,即便它们的质量都变了,整个理论框架也不会出现问题,就“希格斯”理论本身来说,物质粒子的质量就是随意设定的一个参数,想取什么值就取什么值。当一些粒子呈现某一种规律的时候,它很可能是由更基本的粒子构成的,也许未来的科学家能够发现更基本的粒子和更基本的规律,是这些规律让夸克呈现出不同质量只不过目前这些规律还没发现而已。

引力质量

测质量有两种方法:

第1种:测量它的惯性、

也就是去推一个物体是不是容易被加速。

第2种:称物体的重量、

本质上是测量地球对一个物体的吸引力的大小,一个东西的质量越大,地球对它的吸引力就越强。

粒子的情况,当两个粒子有电荷的时候,它们就能相互吸引,这个电荷数量越大,它们相互吸引的作用力就越强,同样,当两个粒子有质量的时候,它们相互之间的引力就和质量成正比。

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引力质量和惯性质量它到底是不是一回事呢?

从本质上讲它们可真的不是一回事,在我们的理论和想象里,惯性质量是“希格斯场”对一个粒子的影响,它说明的是一个粒子在“希格斯场”一个粒子被传递强核力的粒子“胶子”粘住的时候,它就更难加速,当一个粒子很光滑,不怎么被“胶子”粘住的时候,它的惯性质量就低。

引力质量和惯性质量可是不一样,因为在这个理论里面引入的场都是不一样的,在这里引用的是一个“引力场”的概念,在这个场里面一个粒子的质量大小是它受到另外一个物体吸引强弱地表现,在地球表面由地球这么大质量的物体形成了一个引力场一个粒子受支地球引力越强,它的引力质量越大,但是科学就是这么的奇怪,当利用这两种方式去测量质量的时候,就会发现一个物体的惯性质量和它的引力质量精确的混合到一起,一丝一毫都不差。尽管它们来自于完全两种不同的理论和假设,这两个量虽然都叫质量,但其实它是一个粒子完全不同的两个参数,惯性质量是物体对运动的一个抵抗作用,而引力质量是物体被引力移动的一个倾向,这种精确的吻合可以通过在月球上扔小球来得到验证。

越是符合直观的东西,越有可能违背基本的物理定律-MAAMX

月球上没有空气,举起一个很轻的小塑料球,再举起一个很重的大铁球,一放手这两个球是同时落地的,为什么会同时落地呢?因为大铁球的引力质量更大,它受到月球的引力也更大,但是呢,因为这个大铁球惯性质量也更大,所以它抵抗加速的力也更强,反过来说小塑料球它很容易被加速,但是呢,因为它的引力质量很小,它受到的加速力也很小,这两种质量加速和减速的效应精确的完美抵消了,所以一个小塑料球和一个大铁球才能在月球上同时落地。

黄姤·结语

为什么惯性质量精确的就等于引力质量的,目前所掌握的物理知识还不能解释这个现象,科学界只能假设这两种质量完全相同,爱因斯坦正是先假设了光速不变,然后推演出整个狭义相对论,然后假设惯性质量和引力质量完全等效又推演出广义相对论。

在不破坏物理定律的前提下,这两个质量能不能不一样呢?在理论上它们应该是可以不一样的,但是在现实世界里它们就是一样的,这也难怪有这么一句话“宇宙它存在本身就是一个最大的谜团”,因为里面有太多的巧合了。

最后来总结一下,质量有几点奇怪的地方:

第1点:物体的质量不仅仅包括它各个部分的质量,还包括把这些部分束缚在一起的能量。

第2点:质量实际上就像是一个标记,在“希格斯”理论里面,它就和一个物体的电荷是很像的,有些物体它质量的这个标记很大,它在“希格斯场”里面更难运动,而另外一些物体这个标记的数字很小,它在“希格斯场”里面就很容易运动。

第3点:测量引力质量和惯性质量会精确的得到同样的数值。

以上3点就是科学家千百年来没有放弃探索的原因,因为越往深层去研究就会发现越多的问题,在探究这些问题的过程中,会经常得到一些意外的答案,也许有一天质量的谜团被破解的时候,会意外的发现其他更了不起的理论。

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