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宇宙中的質量怎麼形成的

生活 更新时间:2025-02-19 12:04:29

我們經常稱自己的體重:體重終于來到140斤(70千克)以下了,減肥成功!

你的體重是70千克,也就是你本身的質量是70千克。但你有沒有想多,所謂的“質量”到底是什麼?質量是如何産生的?

你可能會反駁,對這種問題不屑于顧:質量就是質量,是物體本身自帶的屬性。

你說得沒錯,但回答得太籠統,而科學需要更嚴謹的诠釋。

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)1

按照牛頓第二定律的描述,質量指的是一個物體的量,這種量決定了改變其運動狀态的難易程度,用公式表達就是F=ma,轉變一下就變成了a=F/m。可以看出,物體的質量越大,改變其運動狀态就會越難,表現出來的就是慣性質量。

但是牛頓第二定律這種對質量的描述仍舊比較抽象,我們需要更深入的诠釋。

愛因斯坦提出了更加具體的诠釋,他提出質量的本質其實就是能量。

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)2

愛因斯坦提出的質能方程,相信大家都很熟悉。該方程表明:質量和能量是等效的,可以認為是同一種東西,但更本質的東西其實還是能量。通俗來講,質量隻是能量的另一種表現形式罷了。

那麼問題來了,質量怎麼會是能量呢?兩者到底有什麼内在關系呢?

我們需要回到微觀世界,去一探究竟。

宇宙萬物都是由原子構成的,原子又是由原子核和電子構成。科學家深入研究發現,原子内部絕大部分都是“虛空”的,原子核和電子占據了非常小的一部分。打個比方,如果原子有地球那麼大,那麼原子核隻有一個棒球場那麼大,而電子更小了,隻有一個棒球那麼大。

那麼再往下細分呢?

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)3

科學家發現,原子核又是由質子和中子構成的,而質子和中子又是由誇克構成的。誇克和電子都是基本粒子,它們都不可再分,起碼目前是不可再分的。

如此多的微觀粒子,有沒有一種方法把它們很好地分類呢?

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)4

确實有,它就是标準粒子模型。标準粒子模型把微觀粒子分為兩大類:費米子和玻色子。

費米子就是我們通常所說的基本粒子,比如說電子,誇克等。而玻色子就是傳遞相互作用力的傳播子,就像膠水一樣把費米子粘結起來。

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)5

自然界有四種基本作用力,分别是強力,弱力,電磁力和引力,對應的傳播子分别是膠子,W玻色子,光子和引力子(目前沒有找到)

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)6

比如說強力的傳播子是膠子,誇克之間就依靠膠子傳遞強相互作用(強力),膠子就像膠水一樣把三個誇克連接起來組成中子或者質子。而弱力通俗來講就是核輻射,當原子核外面的電子過多時,就很難束縛住外面的電子,這時候原子就會發生衰變。原子核可以俘虜電子使得質子通過誇克顔色改變行程中子(中子也可以釋放電子,然後變成質子),這個過程都需要玻色子傳遞能量。

科學家們還發現,組成質子中子的誇克質量僅占質子中子質量的1%,那麼剩下的99%哪裡去了呢?都是傳遞強力的強相互作用産生的能量形成的,說白了就是膠子把誇克結合在一起的結合能。

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)7

說了這麼多,還沒有涉及到質量的本質,不要着急,下面就來了。

科學家曾一度認為,所有費米子(基本粒子)都是沒有質量的,但後來深入研究發現,組成質子中子的誇克是有質量的,後來也發現了電子和傳遞弱力的W玻色子也是有質量的,那麼這些質量到底是如何形成的呢?

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)8

答案就隐藏在希格斯場中。希格斯場充滿了宇宙每個角落,而費米子在希格斯場中的運動就可以獲得質量。

希格斯場就好像地球上方充滿的空氣那樣,微觀粒子在空氣中運動會獲得能量,體現出來的就是質量。其實費米子本應該以光速運動的,但由于在運動中與希格斯場發生了作用,所有速度就慢下來并因此獲得了能量(質量)。

希格斯場也存在着某種機制,所謂的“希格斯機制”,并不是所有微觀粒子都會與希格斯場發生作用,比如說光子就不會受到希格斯場的影響,所有光會以光速飛行,而且必須以光速飛行。

宇宙中的質量怎麼形成的(宇宙揭秘萬物都有質量)9

那麼,科學家們如何确定希格斯場的存在呢?答案就在“希格斯粒子”。希格斯粒子又被稱為“上帝粒子”,是希格斯場受到激發擾動形成的,科學家在2012年發現了希格斯粒子的存在,而希格斯本人也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

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