物理科普：物质质量产生的原理
物理科普：物质质量产生的原理
物质质量的产生是物理学中最基本也是最深奥的问题之一。从牛顿时代对质量的初步认识，到现代物理学中强相互作用、希格斯机制等理论的提出，人类对物质质量本质的理解经历了漫长而曲折的历程。本文将带你深入探索物质质量产生的原理，从微观粒子到宇宙大爆炸，从理论研究到实验验证，全面解析这一物理学的核心问题。
物质质量产生的原理
物质质量的产生原理涉及到多个层面的概念与现象。
从宏观角度看，牛顿时代将质量定义为密度与体积的乘积（m = ρV），这是一种计算质量的方式，但未触及本质。在日常生活中，我们能感受到物体的重量，这实际上是地球对物体的引力作用，而质量是物体本身的一种属性，它反映了物质的量。
从微观角度深入，万物由原子组成，原子又包含原子核和电子。原子核由质子和中子构成，而质子和中子还可进一步细分，它们都是由夸克组成。电子是基本粒子，质量相对原子核来说极小，例如氢原子中，核外电子质量仅占原子质量的1/18371。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克虽然有质量，但夸克质量总和远不足以解释原子核的总质量。
实际上，原子核中99%的质量来自于强相互作用的能量。自然界存在四种基本作用力：强力、弱力、电磁力和引力，强力的强度最大，它将组成质子和中子的夸克紧紧束缚在一起，通过胶子传递强力，这个过程中伴随着巨大能量，根据爱因斯坦的质能方程E = mc²，能量和质量是等价的，所以这部分能量就等同于质量1。对于剩余1%的质量来源，则需要希格斯机制来解释。希格斯场充满整个宇宙，希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，夸克和电子等基本粒子与希格斯粒子相互作用，发生减速从而获得质量。
质量产生的物理机制
强相互作用与原子核质量
强相互作用在原子核质量产生中起到关键作用。在原子核内部，质子都带正电，按照同种电荷相排斥的原理，它们本应相互排斥，但强相互作用克服了这种电磁排斥力，将质子和中子紧密地束缚在一起形成原子核。这种强大的束缚力产生的能量巨大，依据质能方程E = mc²，这些能量转化为了质量，占据了原子核质量的99%。例如，当强相互作用力将夸克束缚在一起形成质子和中子时，产生的能量按照质能方程转化为质量。这一过程体现了能量与质量的等价性在原子核层面的体现。
希格斯机制与基本粒子质量
希格斯机制是解释基本粒子质量起源的重要物理机制。希格斯场无处不在地充满整个宇宙。除光子、胶子等少数粒子外，其他基本粒子（如夸克、电子等）在希格斯场中运动时，会与希格斯玻色子发生相互作用。形象地说，就像粒子在一种“阻力介质”中运动而受到阻碍，这种阻碍导致粒子获得了质量。不同的粒子与希格斯场的相互作用强度不同，所以获得的质量也不同。例如，通过这种机制，基本粒子（如夸克和电子）获得了它们那部分占原子核质量1%的质量来源。并且，希格斯玻色子自身也会从希格斯场的振动中，通过自耦合而获得质量。
物质质量的起源理论
希格斯理论
希格斯理论认为物质质量起源于希格斯场。在宇宙大爆炸之后，希格斯场就填满了整个宇宙空间。基本粒子在希格斯场中穿行时，与希格斯场相互作用从而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，它的存在验证了希格斯机制。就像前面提到的，粒子在希格斯场中的运动如同在糖水中游泳受到阻力而变得迟缓，这种迟缓就表现为粒子获得了质量。根据标准模型理论，宇宙空间各处充满希格斯场，希格斯场源于希格斯机制应用了自发对称性破缺，使基本粒子获得质量。例如，在大爆炸之后温度降低的过程中，希格斯场会在空间中“凝聚”出一个非0的场值（希格斯场的真空期望值），不同粒子在这个“凝聚”状态下的希格斯场中因加速运动受到不同阻力而获得不同质量。
量子色动力学（QCD）与夸克禁闭
量子色动力学（QCD）在解释物质质量起源方面也有重要意义。它主要描述夸克之间的强相互作用。夸克具有一种叫色荷的性质，存在三种类型（红色、绿色和蓝色）。根据QCD理论，自然讨厌净色荷，夸克会聚集虚胶子。在质子和中子内部，夸克被强相互作用紧紧束缚在一起，形成一种夸克禁闭的状态。这种束缚夸克的强相互作用产生的能量按照质能方程转化为质量，这也是原子核质量的重要组成部分。同时，质子与中子的质量起源除了来自希格斯机制的夸克质量，还有夸克凝聚的贡献，其中包括夸克质量的贡献、夸克动能的贡献、胶子动能的贡献和胶子的迹反常的贡献。
关于物质质量产生的科学研究
理论研究
- 规范场理论与质量起源
规范场理论是现代物理学中非常重要的理论框架，在研究物质质量起源方面发挥了重要作用。例如，科学家发现按照规范场理论，基本粒子本应没有质量，但在实验中光子无质量，而传递弱相互作用的Z玻色子和W玻色子却是有质量的。这促使科学家不断探索质量起源的机制，最终引出了希格斯机制等理论来解释这种矛盾现象。规范场理论中的杨 - 米尔斯理论（由杨振宁和米尔斯提出）对强力、弱力等相互作用进行了描述，强相互作用是把胶子扔来扔去，弱相互作用是把W玻色子和Z玻色子扔来扔去，电磁相互作用是把光子扔来扔去，这有助于理解基本粒子间的相互作用与质量的关系。
- 希格斯机制相关研究
希格斯机制自提出以来，一直是理论研究的热点。科学家们深入研究希格斯场的性质、希格斯玻色子的特性及其与其他基本粒子的相互作用。例如，在标准模型中，研究不同基本粒子与希格斯场相互作用强度如何决定粒子质量的大小；探讨希格斯玻色子的自耦合性质以及它如何从希格斯场的振动中获得质量。同时，对于希格斯场的量子特性、它在宇宙早期演化过程中的作用等方面也有诸多理论研究。
实验研究
- 大型强子对撞机（LHC）实验
大型强子对撞机在探索物质质量起源方面起到了关键的实验验证作用。2012年7月4日，欧洲核子中心大型强子对撞机上的ATLAS和CMS实验组联合宣布发现了一个标量粒子，其性质与标准模型理论预言的希格斯粒子初步吻合，随后被大量实验数据进一步证实。这一发现为希格斯机制提供了直接的实验证据，证明了希格斯场和希格斯玻色子在物质质量产生中的关键作用。通过对撞机将质子等粒子加速到极高能量并使其对撞，从而产生新的粒子，科学家可以研究这些新粒子的性质，探索质量起源相关的物理现象，例如研究希格斯玻色子的散射与衰变过程，精确测量相关物理量，与理论计算进行对比验证理论模型的正确性。
- 质子质量起源相关实验
科学家对质子质量起源也进行了深入的实验研究。例如中国科学院近代物理研究所夸克物质研究中心陈旭荣研究员团队在质子质量的起源研究中取得新进展。他们从实验出发深入探讨了质子内部的奇异夸克对质子质量的影响。通过建立质子的量子反常能与总西格玛项（包括轻夸克和重夸克对质子质量的贡献）之间的关系，从矢量介子在近质量阈处的光生微分截面实验数据中提取了西格玛项的值，结果显示重夸克的西格玛项值比人们之前的预期要大，这一工作进一步深化了人们对量子色动力学理论和质量起源的理解，为未来研究质子质量起源问题提供了新的思路。
物质质量产生的探索历程
早期对质量的认识
在古代，哲学家们就开始思考物质的本质和质量相关的概念。古希腊先哲们如泰勒斯提出万物的本源是水，德谟克利特提出万物的本源是原子和虚空，虽然受限于观测设备，他们未能深入到现代意义上的质量起源研究，但这种对物质构成的思考为后来的研究奠定了思想基础。到了17世纪，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，定义了质量，这一概念构建起了经典物理学的大厦。18世纪，拉瓦锡提出质量守恒定律，这是对质量概念在化学领域的重要认识，表明在化学反应前后物质的总质量不变，从侧面反映了质量的一种稳定性属性。
微观粒子发现后的探索
19世纪末20世纪初，随着科学技术的发展，科学家发现了原子内部的结构，认识到原子由原子核和电子组成。之后又发现原子核由质子和中子组成，进一步深入到微观粒子的层次。20世纪50年代，科学家通过对撞机发现了许多粒子，形成了所谓的“粒子幼儿园”，这些粒子的发现促使科学家去归纳总结它们的性质和相互关系，进而发现了强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用这四种基本相互作用。这一时期的科学家还提出了规范场理论（如杨 - 米尔斯理论）试图统一这些相互作用。在探索基本粒子质量起源的过程中，科学家发现按照规范场理论基本粒子应该无质量，但实际情况并非如此，这就引出了对质量起源更深层次的探索。
希格斯机制的提出与验证
1964年，比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒、英国理论物理学家彼得·希格斯等人提出了希格斯机制，认为有一种玻色子（后来被称为希格斯玻色子）赋予了其他基本粒子以惯性，从而让物质具有了质量。然而，为了验证这一猜想，科学家们花费了将近50年的时间。直到2012年欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验首次观测到与希格斯玻色子一致的新粒子，才证实了希格斯机制的正确性，这一发现被誉为粒子物理学的一次重大突破，也为物质质量起源的研究提供了关键的理论依据。
物质质量产生的最新发现
重夸克对质子质量贡献的新认识
中国科学院近代物理研究所的研究成果显示，质子内部可能存在更大质量的夸克（如奇异夸克和粲夸克等）对质子质量有重要贡献。研究通过建立质子的量子反常能与总西格玛项（包括轻夸克和重夸克对质子质量的贡献）之间的关系，从矢量介子在近质量阈处的光生微分截面实验数据中提取了西格玛项的值。结果显示，重夸克的西格玛项值比人们之前的预期要大，约为337兆电子伏特（偶极子拟合）和455兆电子伏特（指数拟合），约占整个质子质量（938兆电子伏特）的36 - 48%。这一发现深化了人们对质子质量起源的理解，表明除了传统认识中的夸克质量来源外，重夸克的贡献不可忽视，进一步推动了量子色动力学理论的发展。
反物质超核的发现对质量研究的潜在意义
2024年8月21日，中国科学院近代物理研究所仇浩研究员团队等在参与RHIC - STAR国际合作实验研究中，首次在相对论重离子金金碰撞中观测到一种新的反物质超核 - 反超氢 - 4，这是迄今实验上发现的最重的反物质超核。反超氢 - 4由一个反质子、两个反中子和一个反Lambda超子组成。虽然这一发现主要是在反物质研究领域，但对于物质质量起源的研究也可能具有潜在意义。因为正反物质具有对称性，通过研究反物质超核的质量等性质，可以与物质的相关性质进行对比研究，从而进一步探索质量起源的奥秘。例如，研究团队测量了反超氢 - 4的寿命，并与其对应的正粒子超氢 - 4比较，在测量精度范围内两者寿命没有明显差异，再次验证了正反物质性质的对称性，这有助于从正反物质对比的角度来深入理解质量的产生机制。