对物质质量的微观探讨

本文要讲的并不是某一件产品品质的好坏，而是所有物质（包括我们自己）最基本的物理性质。

物质为什么会有质量？这是一个很有意思的问题，我们将在本文中重点探讨。

质量 ≠ 重量

许多人会关心自己的体重，假设一个身体质量为50kg的女孩子，她在新加坡称体重，结果会是多少呢？重量的本质是地球对物体的引力大小，因此首先我们请出万有引力公式：

F=G·m1m2/R²

体重秤称的是地球引力

其中引力常数G=6.6741×10⁻¹¹ N·m²/kg²，地球的质量m1=5.965×10²⁴ kg，女孩的质量m2=50kg，地球赤道半径R=6378137m，极半径6356752m。

将数据代入公式后可得：F = 489.31156N = 49.896 kgf

49.896kg, 看样子要比她的实际体重轻一点。

别急！新加坡位于赤道附近，随着地球自转，女孩在地球赤道表面实际上还在做离心运动，因此她同时还受到一个向上的惯性力，我们以离心运动向心力公式：

f = mω²R

在赤道与北极称的体重是不同的

将m=49.896 kg，地球角速度ω=7.292×10⁻⁵ rad/s，R=6378137m代入公式后得到：

f = 1.6922 N =0.173 kgf

女孩子在新加坡测量的体重为：F - f = 49.896 - 0.173 = 49.72 kg

同样在地球，这个女孩子在北极测得的体重则是：492.61N = 50.23 kg

注意到了没？女孩在北极称的体重要比在赤道重1斤多！

女孩子称的并不是她的质量，而是地球的引力。如果要想知道一个物体的质量是多少，物理老师会建议你使用物理天平，它的测量结果会准确许多。

天平是测量质量的常用工具

质量是什么？

经典物理学认为，质量是物质的量。牛顿说“质量等于物体的密度与它体积的乘积”，不同的物质有不同的密度。

在牛顿力学中，质量是量度物体惯性大小的物理量。

通过牛顿力学第二定律：F=ma，我们可以看出质量m越大的物体，我们想要改变其运动状态所需要的力就越大，因此物体的质量m被称为惯性质量，它是不变的，与速度大小无关。

通过牛顿的万有引力公式我们可以发现物质的质量是产生引力的必要条件，没有质量就没有引力，质量越大的物体其引力就越大。因此，质量m的这种表现又被称为引力质量。

宇宙中的所有物质都是既有惯性质量又同时有引力质量，质量是物质的最基本特性之一。

万有引力定律体现了质量与引力的关系

对于质量，爱因斯坦有不同的看法，他认为物体的质量是它所含能量的大小，质量与能量是等效关系。这从著名的爱因斯坦质能方程可以清晰地表达：

ΔE=Δmc²

其中ΔE代表能量的变化量，Δm为质量的变化量，c为真空中的光速，它是一个规定值。

为了便于公众理解，这个方程经常被简写为E=mc²，E为能量，m为质量。

有人以此为据，说物质的质量就是能量，这是不对的。严格地说爱因斯坦认为在一个惯性系中，质量等效于能量，具有一定惯性质量的物体必定有相应数量的能量。质量因能量而扭曲时空，扭曲的时空又可以移动质量，当质点的运动速度很快时，质量会发生变化。

相对论认为质量扭曲时空，弯曲的时空移动质量

为什么物体会有质量？爱因斯坦没有说。这个答案需要从量子力学中寻找。

量子力学认为，物体之所以有质量是因为组成物体的基本粒子有裸质量，而广义角度的物理质量则是由基本粒子间的相互作用、以及基本粒子与其周围量子场的相互作用而产生的。

物质质量的微观解释

到目前为目，宇宙中所有已知的物质大到恒星、行星，小到昆虫、细菌都是由微观的基本粒子构成。无论是构成人体细胞的碳、氢、氧、钙，还是用于制造手机的铁、铝、铜、硅等元素，它们都是由质子、中子和电子进行不同排列组合的结果。

物质之所以拥有质量，是因为构成一切元素的微观粒子拥有物理质量。

质子的质量 = 1.6726231×10⁻²⁷ kg

中子的质量 = 1.6749286×10⁻²⁷ kg

电子的质量 = 9.118195399×10⁻³¹ kg

质子与中子是由夸克“粘合”而成，其中质子由两个上夸克与一个下夸克结合，中子由一个上夸克与两个下夸克结合而成，夸克与夸克之间由胶子传递的强相互作用力结合在一起。

两个上夸克与一个下夸克由胶子结合成一个质子

问题来了：上夸克的裸质量仅有 2.3MeV/c²，下夸克的质量也仅有约4.8MeV/c²，组成质子的两个上夸克与一个下夸克的质量之和为9.4MeV/c²，电子的等效质量为0.511MeV/c²，三个夸克质量之和仅为电子质量的18.4倍。而质子的实测静止质量却是电子的1836倍，这中间巨大的差值是从哪里来的？

基本粒子分类以及它们的质量

按泡利不相容原理，夸克不能单独存在，它必须与其它夸克相结合，夸克与夸克之间由胶子通过强力“粘接”。在量子规范场论标准模型中，胶子是规范玻色子，它只负责夸克间强力的传递，与传递电磁相互作用的光子一样，胶子本身质量必须为零。它需要从外部“借”来质量。

这个质量是由希格斯场“借出”的。

希格斯场一直被认为充满着宇宙包括宇宙的真空。1964年，英国物理学家彼得·希格斯和他的几位同事用纯粹的数学方法证明，如果存在某种类型的宇宙背景场，那么传递力的粒子就会表现得像它们有质量一样。希格斯势与复值希格斯场伴生，它们之间的关系就像是一顶墨西哥帽子，“帽子”底部的最低能量态可以使原本无质量的规范玻色子获得质量。

希格斯场与希格斯势可以使胶子获得质量

希格斯玻色子是希格斯场所激发的粒子，物理学家们花了几十年的时间寻找它，因为只有找到它才能证明希格斯场的存在，进而回答为什么浸泡着夸克的“胶子汤”拥有质量。2012年7月， 欧洲核子研究组织（CERN）宣布，他们利用昂贵的大型强子对撞机（LHC）轰击出了希格斯玻色子，它的质量大约为126GeV/c²，至此科学家们已经确定希格斯场是存在的，并且希格斯玻色子的观测质量符合理论计算值范围。

强子对撞机发现希格斯玻色子

再谈一谈光子的静止质量

学过高中物理的人大多知道“光子没有质量”，在量子物理中光子被定义为规范玻色子，它的静止质量“严格为零”，它只有动质量。光子的动质量是由其能量赋予的。

我在前几天《光子静止质量不为零对物理学的重大影响》一文中提到了广义相对论允许光子有相对静止质量，有的朋友不理解，因为狭义相对论认为光子的质量必须为0，广义相对论建立在狭义相对论的基础之上，为什么广义相对论又允许光子有静止质量？特在此补充说明。

我们对爱因斯坦质能关系式进行一次推导：

光子相对静止质量公式推导

已知η是常数，η= 5.2123×10⁻⁴⁸ g·s，ω为光的频率，单位是Hz。

可见光的频率范围是10¹⁴~10¹⁵ Hz，将其代入上述公式，可以得出光子的最大静止质量范围在：10⁻³⁴ ~10⁻³³g之间。

一束频率为5.0812×10¹⁴ Hz的黄光，它的光子静止质量上限大约为2.6485×10⁻³³ g。

或许光子与胶子一样，它的相对静止质量也是从某个场“借来的”？我们还需要继续探索以寻找答案。

总结：

一、重量不是质量，我们平常称的重量只是有质量物体与地球相互引力的度量值。

二、质量有许多种不同的表达，它的实质是物质量的度量。

三、一切物质由微观粒子构成，微观粒子的质量、数量以及粒子间的相互作用关系决定了物质的质量。

四、有些在理论上被定义为“静止质量为0”的粒子，它们可以通过希格斯场的相互作用而获得质量。

一滴水的微观结构