科学|一口气读懂质量的起源科普|科技

物理和化学的原点
【科学|一口气读懂质量的起源】回望科学史史上物理和化学的起点，我们会发现，它们都围绕着“质量”这个词展开：
1687年，牛顿发表了著作《自然哲学的数学原理》，在这本著作当中，牛顿从定义“质量”开始，构建起了经典物理学的大厦。

1777年，拉瓦锡向巴黎科学院提出了一篇论文《燃烧概论》，在这篇论文中，他讲述了自己的金属煅烧实验，并提出了燃烧作用的氧化学说，而在这篇论文中还提到了著名的质量守恒定律，从此化学正式从炼金术的阴影走出来，并开启了科学化之路。

然而，如果你问牛顿和拉瓦锡：质量到底是什么？
你很难能够得到一个令人满意的答案。因为，关于“质量”探索一直伴随着整个科学的发展，一直到近几年才完全尘埃落定。那质量到底是什么呢？
微观世界
如果我们把时间推到2000年以前的古希腊世界，当时的古希腊先哲们就在思考：万物的本原到底是什么？
著名的科学哲学之父泰勒斯曾经提出：万物的本源是水。这也被认为是科学和哲学的起点。泰勒斯也给后来的学者提供了一条从微观世界探索万物本原的路径。后来，古希腊哲学集大成者之一的德谟克利特提出：万物的本源是原子和虚空。古希腊先哲们受限于观测设备，没能在这条路径上走得更远。

到了20世纪，当科学发现了微观粒子时，他们想到了德谟克利特的“原子论” 。于是，就用原子来命名他们发现的微观粒子。但实际上，德谟克利特的“原子”和如今的“原子”是两码事，他的“原子”是万物的最小构成的单位，而如今的“原子”还可以继续再分成电子和原子核。

不过，古希腊先哲的思路是没有错的。在探索“质量”的道路上，寻找不可再分的粒子是一个合理的选择。上世纪50年代，科学家通过对撞机，发现了许许多多的粒子，它们有的可以再分，而有的不可再分，这也被科学家戏称为：粒子幼儿园。
那这些粒子的出现也给科学家出了一个难题，如何才能把这些粒子归纳起来。在此之前，科学家们就发现了引力和电磁力。而随着对原子结构的探索，科学家还发现了强力和弱力。要知道，原子核内的质子都是带正电，照理说，根据同种电荷相排斥的原理，质子不太可能会被约束在一个很小的尺度内。

强力的强度要比电磁力大，是强力把质子束缚在原子核内。至于弱力，它的强度很弱，主要发生在原子核衰变的过程当中，它会改变粒子的种类。从这里，我们不难发现，牛顿当初对于“力”的定义已经不够用了。于是，科学家提出了“作用”一词来取代“力” 。换句话说，按照目前的物理学观点，万物的基本单位是基本粒子，而各种基本粒子是通过“各种相互作用”来构成万物的。目前，我们已知的一共有4种相互作用，分别是强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用，引力相互作用。

那这些“相互作用”又是通过什么来实现的呢？
上世纪50年代，科学家提出了“规范场”理论，试图统一这几种作用。在这个理论中， “相互作用”是通过“场”来实现的，比如：磁力就是通过磁场来实现的。强力和弱力也有相对应的“场” 。这个理论也被叫做杨米尔斯理论，是由杨振宁和他当时的研究生米尔斯一起提出的。

后来，盖尔曼等人又完善了这个理论。在这个理论中，我们可以把各种“相互作用”看成是把某种粒子扔来扔去的结果。强相互作用就是把“胶子”扔来扔去；弱相互作用就是把“W玻色子”和“Z玻色子”扔来扔去；电磁相互作用就是把“光子”扔来扔去。

质量之谜
在这个理论中，科学家发现，物质质量的99%实际上是来自于强相互作用把夸克束缚在质子和中子所对应的能量。根据爱因斯坦的质能等价E=mc^2 ，质量和能量是等价关系，所以这部分能量是具有质量的，占据了物质总质量的99% 。那么问题来了，剩余的1%的质量从哪来的呢？分页标题

你可能要说，那基本粒子不应该有质量吗？
其实按照规范场理论，基本粒子其实是没有质量的，但是在实验观测中，科学家就发现，光子是没有质量的，而传递弱相互作用的Z玻色子和W玻色子却是质量的。这和那1%的质量其实紧密相关。但也让科学家非常头疼，甚至有的科学家一度怀疑规范场理论错了。
后来，科学家为了调和这个问题，它们提出了著名的希格斯机制。他们认为在宇宙空间中还存在着一种场叫做希格斯场，它可以通过给粒子减速来让粒子获得质量。如果希格斯场没有给粒子减速，那么这个粒子的速度就会是光速。而电子和夸克等基本粒子之所以有质量，就是因为被希格斯场减速，这也就是那1%质量的由来。

为了证明希格斯场的存在，我们就需要找到希格斯玻色子。这一直以来困扰着实验科学家，这是因为要寻找希格斯粒子就需要足够大的大型强子对撞机。后来，在2012年，欧洲的LHC在成功证明了希格斯玻色子的存在。

随着希格斯玻色子被找到，困扰科学家300多年的“质量之谜”也随着解开。根据目前的规范场理论，我们知道，物质99%的质量来自于强相互作用所释放的能量，而剩余的1%的质量是由希格斯场所赋予的。