金策宝 从量子角度理解质量的本质——希格斯场与静质量

提问金策宝,质量到底是什么?
在我们初高中的学习过程中,质量更多的是一个题目中的已知量,或者是根据题目条件来计算得出。更直接一点,在实验中通过天平称量出来,但是质量到底是什么呢?
我们先从日常对质量的感知开始,来拆解看看质量的本质。
一斤猪肉和一斤棉花哪个更重?这是我们曾经屡试不爽的小游戏,用手掂一掂,上秤看一看,就能看到实实在在的数字,这就是我们日常提及的重量。
那么,提问,如果猪肉和棉花到了太空里,飘起来了,放在秤上也读不出数字,重量去哪了?
有的朋友会说,因为引力变了。没错,我们在日常中感知到的重量,正是受到引力的影响,引力大的地方,重量大,引力小的地方,重量小。
而质量不同金策宝,在经典力学框架下,质量不受物体所受引力大小的影响,是物体本身的内在属性,对于一个给定的物体,它是一个固定值(暂且先不谈相对论框架中的质增)。如果质量和物体,或者说物质密不可分,那么我们要先从物质开始看。
展开剩余74%(本文会带你从生活常识,到物理实质真正理解质量的本质,虽涉及深刻的物理概念,但保证零基础也能轻松跟上。如果中途需要休息,记得先关注或收藏哦~)
大家知道,物质可以从宏观到微观,拆解为不同维度的构成。比如一滴水,由很多很多水分子构成,每个水分子可以继续拆解为原子,原子由质子,中子和电子组成,质子和中子由更小的粒子夸克组成。
现在我们看似把物质拆的稀碎,不过我要提一个新的问题了,是什么把夸克结合成为质子和中子,是什么把质子和中子变为原子核,又是什么把原子核和电子结合形成原子,还有分子的形成,物质的形成?到底是什么可以让这些分散的粒子聚集,结合,形成了我们熟悉的水,空气,桌椅板凳呢?
首先恭喜大家,我们已经开始看到了量子世界的边边角角,并且初步触及了量子力学。
继续上面的问题,我们知道肯定有某个东西,在帮忙让原子,分子和物质形成,而且这个东西会让不同维度大小的粒子,原子和分子相互关系,形成整体。我们叫做,力,或者说相互作用。
就像是引力把岩石金策宝,海洋和大气聚集在一起形成地球一样,在微观层面也有这样的力帮助形成物质。
在原子核内部主要起作用的是强相互作用力,在形成原子、分子和物质时,主要是电磁力的功劳。
让我们继续往前思考,粒子和力到底是什么?现在,我们需要了解一个绕不过去的概念,场。
场无处不在,粒子是场的激发态,而不同的场之间的交互,赋予粒子各种特性,包括质量。
如果我们对比各种各样的粒子特征,会发现,有的基础粒子是没有静质量的,这正是因为这些粒子不会和特定的场发生相互作用,而这种场我们叫做,希格斯场。
我们可以这样简单理解希格斯场,它像是遍布宇宙的胶水,阻碍粒子的运动,粒子想要动起来,就需要抵抗胶水的粘性,这种阻碍粒子运动的表现叫做惯性,也就是我们所说的获得质量。
粒子与希格斯场的相互作用越大,其获得的质量越大,如果粒子与希格斯场不发生相互作用,那么我们说该粒子没有静质量。
其实这个概念还是挺抽象的,尤其是第一次接触到场的朋友们来说,听起来更像是理论学家的猜想,好像我们可以随便讲一个故事,然后告诉大家说,这就是XXX的起源。这个理论到底成立不成立?
前面我们提到,场无处不在,而粒子是场的激发态,那么希格斯场对应的粒子是什么?现在我们已经观测到这个粒子了吗,如果是的话,这是不是可以侧面验证该理论的正确性?
没错,2012年,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)宣布发现希格斯玻色子,验证了希格斯场理论。
好了,现在我们似乎找到了质量起源的答案:希格斯场赋予了基本粒子静质量。那么,只要把构成物质的所有基础粒子的静质量加起来,就是我们测得的物质总质量了吗?
答案令人震惊:远远不够!
让我们看一个最典型的例子:质子。构成一个质子的三个夸克,它们的静质量总和大约只有 9 MeV/c²。然而,一个质子的实际质量却是 938 MeV/c² !
上面所探讨的希格斯机制,仅仅解释了那微不足道的 1% ,那么剩下的99%是什么?
给一个小提示,秘密就隐藏在让基础粒子结合成为物质的相互作用里,更具体的说是强相互作用中,下一讲金策宝,我们来看看剩余99%的故事是否更精彩。
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