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不,我们不是要讨论你的体重。 VMZMG$C 而是要探讨质量是什么。 ,Co|-DYf} Usvl}{L[ 质量是牛顿力学的经典概念,可以概括为“物体含有物质的多少,也是物体惯性的大小,不因物体的形状、位置或状态而改变。等于合外力除以加速度”,我们借此计算过无数习题,却一直没空好好想想其中的可疑之处:这个合外力是指哪种力? -oGdk|Yn &bS,hbD t 在现代物理的视角下,世界上只有4种基本力,人类寓居的宏观世界又只能观察到其中两种:万有引力和电磁力。其中前者就是让天体运行,让苹果坠落的那种浩大绵长的力;而后者千变万化,时而吸引时而排斥,表现为我们所能觉察到的其它所有力。 VG5i{1
0 (&r.w 所以我们至少应该有两种质量:一种是受万有引力影响时的引力质量,从开普勒到伽利略再到牛顿,我们靡费心血找到了它的公式。另一种是受电磁力牵拉时表现出来的惯性质量,它才是合外力与加速度的比。 Y_liA 同时想得更仔细一些,我们还会意识到还有一种引力质量:就是物体产生万有引力,吸引其它物体时表现来的质量,作为区分,这种引力质量叫做主动引力质量,刚才的引力质量叫做被动引力质量。 GC-5X`Sq =F|{#F 仅从定义上看,这似乎是三种相当不同的质量,然而实际测量表明,这三种力大小相等,即使有误差也小于千亿分之一,我们今天还不知道这是为什么,但这有着深刻的意义:如果三种质量大小不等,真空中的羽毛和铅球就不会同时落地。而既然他们相等,我们就无法区分引力场和非惯性参考系,才会有广义相对论问世,质量被再次定义为时空的曲率,这是现代物理各种不可思议事物的一大源头。 O2V !t"4!3 也正是在现代物理中,我们才真的开始研究质量的来源——宏观世界这些有质量的物质,归根结底由粒子构成,比如分子由原子构成,原子又包含了电子和原子核,原子核内又有中子和质子。 Dm981t>wL 如果质量不因物体的形状、位置或状态而改变,那么我们的质量就应该来自这些粒子质量的总和——但在微观世界里似乎不是这样:质子和中子在不同的原子核中质量都不同,在氢原子核中最重,在铁原子核中最轻。 PrqlTT}Px Lj({[H7D! 解释这个问题的就是狭义相对论:不仅物质有质量,能量也有质量——由于强大的电磁力,都带正电的原子核本来会强烈地相互排斥,但当它们靠得足够近,又会被微观世界里一种更加强大的“强相互作力”粘在一起,变成更重的原子核,就是核聚变。 cZ,b?I"Q% 打个比方,过山车爬上最高点虽然辛苦,但向下冲击非常畅快,如果冲进一个坑,释放的能量还要大于消耗的能量——根据爱因斯坦那个著名的“能量等于质量乘以光速的平方”(E=mc2),这些额外释放出来的能量也有质量,质子和中子失去的那些质量就是这样被带走了。 !|(-=2` ROI7eU 而反过来想,为了克服原子核内部质子之间的排斥,为了克服质子和中子内部夸克之间的排斥,强相互作用在极小的尺度上像绷紧的弹簧一样富集了巨额的能量,这本身就意味着巨大的质量——实际上,宏观物质90%以上的质量都来自强相互作用。 }:zE< bK 然而即便没有强相互作用,夸克和电子也有自身的静止质量,尤其是电子,虽然只贡献了宏观物质0.5%的质量,但它们根本就不参与强相互作用。根据规范场论,它们本来不应该有静止质量——那么这些质量又来自何方? %UrueMEO t9lPb_70 这一度是个巨大的谜题,直到2013年才告一段落——我们在欧洲的大型强子对撞机中验证了“希格斯玻色子”的存在,它是希格斯场的激发态——这个场像电磁场、引力场一样弥漫在整个空间中,阻碍与它耦合的粒子运动——这就表现为惯性,或者说质量。希格斯因此荣获2013年诺贝尔物理学奖。 }RF(CwZr( D\v+wp. 然而我们仍未充分理解“质量”这个朴素的概念,我们不理解为什么这些定义下的质量都相等,也不能将广义相对论与量子场论融洽的统一起来,现代物理还有数不清的谜题,但量子引力是其中最重大的一个,它是通往大统一理论的必经之路。 [g|_~h
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