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宇宙揭秘:万物都有质量,但质量到底是如何产生的?

科技前沿 admin 3个月前 (04-05) 88次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

宇宙揭秘:万物都有质量,但质量到底是如何产生的?

宇宙探索

我们经常称自己的体重:体重终于来到140斤(70千克)以下了,减肥成功!

你的体重是70千克,也就是你本身的质量是70千克。但你有没有想多,所谓的“质量”到底是什么?质量是如何产生的?

你可能会反驳,对这种问题不屑于顾:质量就是质量,是物体本身自带的属性。

你说得没错,但回答得太笼统,而科学需要更严谨的诠释。

按照牛顿第二定律的描述,质量指的是一个物体的量,这种量决定了改变其运动状态的难易程度,用公式表达就是F=ma,转变一下就变成了a=F/m。可以看出,物体的质量越大,改变其运动状态就会越难,表现出来的就是惯性质量。

但是牛顿第二定律这种对质量的描述仍旧比较抽象,我们需要更深入的诠释。

爱因斯坦提出了更加具体的诠释,他提出质量的本质其实就是能量。

爱因斯坦提出的质能方程,相信大家都很熟悉。该方程表明:质量和能量是等效的,可以认为是同一种东西,但更本质的东西其实还是能量。通俗来讲,质量只是能量的另一种表现形式罢了。

那么问题来了,质量怎么会是能量呢?两者到底有什么内在关系呢?

我们需要回到微观世界,去一探究竟。

宇宙万物都是由原子构成的,原子又是由原子核和电子构成。科学家深入研究发现,原子内部绝大部分都是“虚空”的,原子核和电子占据了非常小的一部分。打个比方,如果原子有地球那么大,那么原子核只有一个棒球场那么大,而电子更小了,只有一个棒球那么大。

那么再往下细分呢?

科学家发现,原子核又是由质子和中子构成的,而质子和中子又是由夸克构成的。夸克和电子都是基本粒子,它们都不可再分,起码目前是不可再分的。

如此多的微观粒子,有没有一种方法把它们很好地分类呢?

确实有,它就是标准粒子模型。标准粒子模型把微观粒子分为两大类:费米子和玻色子。

费米子就是我们通常所说的基本粒子,比如说电子,夸克等。而玻色子就是传递相互作用力的传播子,就像胶水一样把费米子粘结起来。

自然界有四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力,对应的传播子分别是胶子,W玻色子,光子和引力子(目前没有找到)

比如说强力的传播子是胶子,夸克之间就依靠胶子传递强相互作用(强力),胶子就像胶水一样把三个夸克连接起来组成中子或者质子。而弱力通俗来讲就是核辐射,当原子核外面的电子过多时,就很难束缚住外面的电子,这时候原子就会发生衰变。原子核可以俘虏电子使得质子通过夸克颜色改变行程中子(中子也可以释放电子,然后变成质子),这个过程都需要玻色子传递能量。

科学家们还发现,组成质子中子的夸克质量仅占质子中子质量的1%,那么剩下的99%哪里去了呢?都是传递强力的强相互作用产生的能量形成的,说白了就是胶子把夸克结合在一起的结合能。

说了这么多,还没有涉及到质量的本质,不要着急,下面就来了。

科学家曾一度认为,所有费米子(基本粒子)都是没有质量的,但后来深入研究发现,组成质子中子的夸克是有质量的,后来也发现了电子和传递弱力的W玻色子也是有质量的,那么这些质量到底是如何形成的呢?

答案就隐藏在希格斯场中。希格斯场充满了宇宙每个角落,而费米子在希格斯场中的运动就可以获得质量。

希格斯场就好像地球上方充满的空气那样,微观粒子在空气中运动会获得能量,体现出来的就是质量。其实费米子本应该以光速运动的,但由于在运动中与希格斯场发生了作用,所有速度就慢下来并因此获得了能量(质量)。

希格斯场也存在着某种机制,所谓的“希格斯机制”,并不是所有微观粒子都会与希格斯场发生作用,比如说光子就不会受到希格斯场的影响,所有光会以光速飞行,而且必须以光速飞行。

那么,科学家们如何确定希格斯场的存在呢?答案就在“希格斯粒子”。希格斯粒子又被称为“上帝粒子”,是希格斯场受到激发扰动形成的,科学家在2012年发现了希格斯粒子的存在,而希格斯本人也因此获得了诺贝尔物理学奖。


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