探讨质量是什么？

shuszhao

　　不，我们不是要讨论你的体重。
　　而是要探讨质量是什么。

　　

                               
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　　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？

　　

                               
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　　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。

　　

                               
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　　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。
　　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。

　　

                               
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　　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。

　　

                               
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　　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。
　　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。

　　

                               
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　　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。
　　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。

　　

                               
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　　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。
　　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？

　　

                               
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　　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。

　　

                               
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　　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。

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