质量是什么?物质为什么会有质量?

重新定义千克，从“大K”到量子力学。

2019年5月20日，我们迎来了一个具有里程碑意义的日子——第20个“世界计量日”。在这一天，国际单位制中的质量单位“千克”经历了重新定义，这一变革是基于国际单位制（SI）基本单位的全面改革。这场改革不仅标志着计量科学的一次重大进步，更是对物理学基本原理的深刻反映。

在重新定义之前，“千克”这一单位是由一个精确的铂铱合金圆柱体——“国际千克原器”（俗称“大K”）来定义的。这个高约39毫米、直径相当的圆柱体被小心翼翼地保存在巴黎西郊的一间地下储藏室内。然而，“大K”作为金属制品，其质量不可避免地受到环境因素的影响，如空气污染和氧化等，这使得其质量会产生细微的变化，从而难以满足现代精密测量的需求。

为了解决这一问题，科学家们决定以量子力学中的普朗克常数为基准，重新定义千克。这一变革的核心在于，科学家们将移动1千克物体所需的机械力，转换成了一个可以用普朗克常数来表达的电磁力，进而通过质能转换公式来精确计算出质量。这种新的定义方式不仅具有极高的精度（可达3.4×10^-8），而且其稳定性比传统的“大K”定义方式要高出至少1百万倍。

那么，我们不禁要问，质量究竟是什么呢？为什么物体会具有质量？在日常生活中，当我们谈论某件商品的质量时，我们通常指的是它的耐用性、精致性或实用性等品质。但在这里，我们所探讨的“质量”有着更为深刻的物理含义。

质量，作为物理学中的一个核心概念，有多种表现形式。其中，重量便是质量的一种直观表现，也可以被称为引力质量。以一个人为例，他的重量实际上就是他所受到的地心引力与地球自转产生的离心力之差。物体的质量是产生引力的必要条件；没有质量，就没有引力。而且，物体的质量越大，它所产生的引力也就越大。

除了引力质量外，还有惯性质量这一概念。根据牛顿力学定律，我们可以知道质量等于物体的密度与其体积的乘积。同时，质量也是衡量物体惯性大小的物理量。牛顿第二定律F=ma告诉我们，一个物体的质量越大，想要改变其运动状态所需要的力也就越大。值得注意的是，物体的惯性质量是一个恒定的值，与物体的运动速度无关。

每一个物体都同时具有惯性质量和引力质量，这两种质量都是物质的基本特性之一。万有引力定律便深刻地揭示了质量与引力之间的关系。而在爱因斯坦的质能方程E=mc²中，质量和能量被证明是等价的。但需要明确的是，我们不能说“质量就是能量”，因为并不存在与“引力质量”和“惯性质量”相对应的“能量质量”这一概念。

根据狭义相对论的原理，在一个特定的惯性参考系中，质量可以被看作是等效于能量的。这意味着，具有一定惯性质量的物体，也必然拥有相应数量的能量。而广义相对论则进一步指出，质量所具有的能量会扭曲周围的时空结构，而这种扭曲的时空又会反过来影响质量的运动状态。当物体进行加速运动时，它的质量实际上会增加。

然而，物体为什么会具有质量呢？质量的本质又是什么呢？在经典物理学中，我们并没有找到确切的答案。为了解答这个问题，我们需要深入到量子力学的领域中去探索。

科学家们发现，物体之所以具有质量，是因为构成物体的基本粒子本身就具有一种被称为“裸质量”的属性。无论是庞大的恒星还是微小的尘埃，它们都是由原子构成的，而原子又是由质子、中子和电子等基本粒子组合而成的。这些微观粒子都拥有一定的物理质量。例如，质子的质量约为1.6726231×10⁻²⁷千克，中子的质量约为1.6749286×10⁻²⁷千克，而电子的质量则约为9.118195399×10⁻³¹千克。

进一步的研究表明，质子是由两个上夸克和一个下夸克结合而成的；而中子则是由一个上夸克和两个下夸克结合而成的。夸克与夸克之间是通过胶子传递的强相互作用力紧密结合在一起的。经过科学实验测量，我们发现上夸克的裸质量约为2.3MeV/c²，下夸克的质量约为4.8MeV/c²。然而，令人惊奇的是，组成质子的两个上夸克与一个下夸克的质量之和仅为9.4MeV/c²，而电子的等效质量却为0.511MeV/c²。这意味着三个夸克的质量之和仅为电子质量的18.4倍，但质子的实际测量静止质量却是电子的1836倍。

那么，这中间巨大的质量差值究竟是从何而来的呢？科学家们提出了一个大胆的猜想：物理质量可能是由基本粒子与希格斯场相互作用而产生的。

根据量子力学的泡利不相容原理，我们知道夸克不能单独存在，它们必须与其他夸克相结合。而夸克与夸克之间则是通过胶子这种强力“粘接剂”紧密连接在一起的。在量子规范场论的标准模型中，胶子被视为一种规范玻色子，它只负责传递夸克间的强力作用。与传递电磁相互作用的光子类似，胶子本身的质量必须为零。

然而，胶子需要从外部“借用”质量，而这个质量正是由希格斯场“借出”的。希格斯场是一个充满整个宇宙的场，它包括了宇宙的真空状态。希格斯场与希格斯势的相互作用可以使得胶子获得质量。这一猜想在2012年7月得到了证实，当时欧洲核子研究组织（CERN）利用大型强子对撞机（LHC）成功轰击出了希格斯玻色子，其质量大约为126GeV/c²，从而证实了希格斯场的存在。

因此我们可以说，一切物质都是由微观粒子构成的，而这些微观粒子的质量、数量以及它们之间的相互作用关系共同决定了物质的质量。或许，那些理论上被定义为“静止质量为0”的粒子，正是通过希格斯场的相互作用而获得了质量。这一发现不仅为我们揭示了质量的奥秘，也为我们进一步探索宇宙的奥秘提供了新的视角和思路。