物理学降低了质量

Y你坐在这里，读这篇文章。它可能是一份硬拷贝，或者是平板电脑或电子阅读器上的电子书。没关系。不管你在看什么，我们都可以肯定它是由某种材料制成的:纸、卡片、塑料，也许还包含印刷电路板上的微小金属电子物质。不管它是什么，我们称之为物质或物质物质。它有一种我们称之为固态的特性。它有质量。

但是，到底什么是物质呢?想象一下一立方英尺(2.7厘米)多一点的冰。想象一下把这块冰块放在你的手掌里。天气很冷，而且有点滑。它几乎不重，但我们知道它重某物．

让我们的问题更集中一点。这块冰是用什么做的?还有一个重要的次要问题:是什么造成了它的质量?

为了理解一块冰块是由什么组成的，我们需要借鉴化学家们的经验。在炼金术士建立的悠久传统的基础上，这些科学家区分了不同的化学元素，如氢、碳和氧。通过对这些元素的相对重量和气体的化合体积的研究，约翰·道尔顿(John Dalton)和路易斯·盖-吕萨克(Louis Gay-Lussac)得出了这样的结论:不同的化学元素由不同重量的原子组成，这些原子按照一套涉及到全原子数的规则化合。

当人们意识到氢和氧都是双原子气体H₂和O₂．水是由两个氢原子和一个氧原子组成的化合物₂O。

这部分回答了我们的第一个问题。我们的立方冰由H分子组成₂按规则排列的。我们也可以从第二个问题开始。阿伏伽德罗定律指出，一摩尔化学物质大约含有6 × 10²³离散的“粒子”。现在，我们可以把一摩尔物质简单地解释为它的分子量按比例增大到克的量。氢(以H的形式₂)的相对分子质量为2，这意味着每个氢原子的相对原子质量为1。氧气(O₂)的相对分子质量为32，这意味着每个氧原子的相对原子质量为16。水(H₂O)的相对分子量为2 × 1 + 16 = 18。

大约99%的质子和中子的质量似乎无法解释。

我们立方的冰大约重18克，这意味着它相当于一摩尔水，或多或少。根据阿伏伽德罗定律，它必须包含6 × 10²³分子H₂这似乎为我们的第二个问题提供了一个明确的答案。立方体冰的质量来自6 × 10的氢原子和氧原子的质量²³分子H₂O。

当然，我们还可以更进一步。在20世纪早期，我们从j·j·汤姆森、欧内斯特·卢瑟福、尼尔斯·玻尔和许多其他物理学家那里了解到，所有的原子都是由一个沉重的中心核组成，周围环绕着轻的轨道电子。我们后来了解到中心核是由质子和中子组成的。原子核中的质子数决定了元素的化学性质:一个氢原子有一个质子，一个氧原子有八个(这被称为原子数)。但原子核的总质量或重量是由原子核中质子和中子的总数决定的。

氢仍然只有一个(它的原子核由一个质子组成，没有中子)。氧最常见的同位素——猜猜是什么?-16(8个质子和8个中子)这显然不是巧合，这些质子和中子计数与我上面引用的相对原子量相同。

如果我们忽略轻电子，那么我们可能会认为立方体冰的质量存在于其氢原子和氧原子的原子核中的所有质子和中子中。每个H分子₂O贡献10个质子和8个中子，所以如果有6 × 10²³如果忽略质子和中子之间的微小质量差异，我们可以得出这个立方体的分子总数是这个数字的18倍，也就是108 × 10²³质子和中子。

到目前为止，一切顺利。但我们还没有完成。我们现在知道质子和中子不是基本粒子。它们由夸克组成。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。在这些较大的粒子内部，把夸克结合在一起的色力是由无质量胶子携带的。

好吧，那我们就继续吧。如果我们再次近似上下夸克的质量，我们只要乘以3，就变成108 × 10²³质子和中子变成324 × 10²³上下夸克。我们得出这样的结论:这是所有质量所在的地方。是吗?

裸夸克非常尴尬，它很快就用胶子覆盖了自己。

不。这就是我们的naïve原子先入之见被揭示的地方。我们可以在粒子数据组的网站上查找上下夸克的质量。上下夸克非常轻，它们的质量无法精确测量，只能引用范围。以下均以MeV/为单位进行报告c²．在这些单位中，上夸克的质量为2.3，范围从1.8到3.0。下夸克稍微重一点，4.8，范围从4.5到5.3。将它们与电子的质量进行比较，电子的质量在相同单位下约为0.51。

现在，令人震惊的是。以相同的MeV/为单位c²质子质量为938.3，中子质量为939.6。两个上夸克和一个下夸克的组合只给了我们9.4个，也就是质子质量的1%。两个下夸克和一个上夸克的组合只给了我们11.9个，也就是中子质量的1.3%。大约99%的质子和中子的质量似乎无法解释。出了什么事?

要回答这个问题，我们需要认识到我们正在处理的是什么。夸克并不是希腊人或机械哲学家所想象的那种独立的“粒子”。它们是量子波粒子;基本量子场的基本振动或波动。上下夸克只比电子重几倍，而我们已经在无数的实验室实验中证明了电子的波粒性质。我们需要为一些奇怪的行为做好准备，如果不是彻头彻尾的奇怪行为的话。

我们不要忘了无质量胶子。或者狭义相对论E＝mc²．或者是“裸”和“穿”的区别。最后但同样重要的是，我们不要忘记希格斯场在所有基本粒子质量“起源”中的作用。为了理解质子或中子内部发生了什么，我们需要研究量子色动力学，即夸克间色力的量子场理论。

夸克和胶子具有颜色“电荷”。这到底是什么?我们无从得知。我们知道颜色是夸克和胶子的一种属性，有三种类型，物理学家称之为红色、绿色和蓝色。但是，正如没有人“见过”孤立的夸克或胶子一样，根据定义，也没有人或多或少见过裸色电荷。事实上，量子色动力学(QCD)表明，如果一个色电荷可以像这样暴露出来，它将拥有近乎无限的能量。亚里士多德的格言是“自然厌恶真空”。今天我们可能会说:“大自然厌恶赤裸裸的颜色指控。”

那么，如果我们能以某种方式创造一个带有裸色电荷的孤立夸克，会发生什么呢?它的能量会飙升到屋顶，足以把虚拟胶子从“空”空间变出来。就像电子通过自身产生的电磁场时，会聚集一层虚拟光子，同样，暴露在外的夸克也会聚集一层虚拟胶子。与光子不同，胶子本身携带色电荷，它们能够通过掩盖暴露的色电荷来减少能量。这样想:裸夸克非常尴尬，它很快就用胶子覆盖了自己。

然而，这还不够。这种能量高到不仅能产生虚粒子(比如一种背景噪音或嘶嘶声)，还能产生基本粒子。在掩盖暴露的色电荷的混乱中，产生了一个反夸克，它与裸夸克成对形成介子。夸克是决不可能的从来没有-在没有监护人的情况下。

但这仍然不这样做。为了完全覆盖色电荷，我们需要把反夸克和夸克在完全相同的时间放在完全相同的位置。海森堡的测不准原理不会让自然界以这种方式束缚夸克和反夸克。记住，一个精确的位置意味着无限的动量，一个精确的能量随时间变化率意味着无限的能量。大自然别无选择，只能做出妥协。它不能完全覆盖色电荷但它可以用反夸克和虚胶子来掩盖它。能量至少降低到一个可控制的水平。

当我们向内工作时，我们完全看不到物质。物质失去了它的可触性。

质子和中子内部也会发生这种情况。在它们的宿主粒子的范围内，这三个夸克相对自由地摇摆。但是，同样地，它们的色电荷必须被覆盖，或者至少暴露电荷的能量必须被降低。每个夸克都会产生大量的虚拟胶子，这些胶子与夸克-反夸克对一起在夸克之间来回传递。物理学家有时把组成质子或中子的三个夸克称为“价”夸克，因为这些粒子内部有足够的能量，可以形成更多的夸克-反夸克对。价夸克并不是这些粒子中唯一的夸克。

这意味着质子和中子的质量很大程度上可以追溯到能源胶子和由颜色场召唤出来的夸克-反夸克对的海洋。

我们是怎么知道的?必须承认，使用QCD进行计算实际上是相当困难的。色力非常强，相应的色力相互作用的能量也非常高。记住胶子也携带色电荷，所以所有物质都相互作用。事实上，任何事情都可能发生，要跟踪所有可能的虚粒子和基本粒子排列是非常困难的。

这意味着，虽然QCD方程可以以一种相对直接的方式写下来，但它们不能在纸上解析求解。同样，在QED中成功运用的数学技巧也不再适用——因为相互作用的能量如此之高，我们无法应用重整化技术。物理学家别无选择，只能在电脑上解这些方程。

QCD的一个版本“QCD-lite”取得了相当大的进展。这个版本只考虑了无质量胶子和上下夸克，并进一步假设夸克本身也是无质量的(所以，字面上，“lite”)。根据这些近似计算得出的质子质量仅比测量值轻10%。

让我们停下来思考一下。在QCD的简化版中，我们假设开始时没有粒子有质量，但它预测质子的质量是90%正确的。结论相当令人吃惊。质子的大部分质量来自于能源夸克和胶子之间的相互作用。

约翰·惠勒用“无质量质量”一词来描述引力波的叠加效应，引力波可以集中和定位能量，从而产生黑洞。如果这种情况发生，就意味着黑洞——超高密度物质的最终表现形式——不是由塌缩恒星中的物质创造的，而是由时空的波动产生的。惠勒真正的意思是，这将是一个由引力能创造黑洞(质量)的例子。

但惠勒的话在这里更合适。Frank Wilczek是QCD的架构师之一，他在讨论精简QCD计算结果时使用了这个方法。如果质子和中子的大部分质量来自这些粒子内部发生的相互作用的能量，那么这确实是“无质量的质量”，这意味着我们得到行为我们倾向于把质量归为，而不需要把质量作为财产．

这听起来熟悉吗?还记得爱因斯坦1905年关于狭义相对论的论文的重要附录中，他推导的方程实际上是米＝E/c²．这是一个伟大的见解(不E＝mc²)．爱因斯坦无疑是有先见之明的，他写道:“一个物体的质量是其能量含量的衡量标准。”¹事实上,它是。在他的书中生命之轻, Wilczek写道:²

如果这个物体是一个人体，它的质量绝大部分来自它所包含的质子和中子，那么答案现在是明确和决定性的。物体的惯性，准确率高达95%，是它的能量。

在铀235核的裂变过程中，它的质子和中子内部色场的一些能量会被释放出来，从而产生潜在的爆炸后果。在4个质子融合的质子-质子链中，两个上夸克转换成两个下夸克，在这个过程中形成两个中子，导致颜色场释放出一点多余的能量。质量不能转化为能量。相反，能量是从一种量子场传递到另一种量子场。

我们该怎么办呢?自2500年前古希腊原子主义者对物质本质的推测以来，我们已经走了很长一段路。但在这段时间里，我们一直坚信物质是我们物质宇宙的基本组成部分。我们已经确信物质是有能量的。而且，虽然物质可以被简化为微观成分，但在很长一段时间里，我们相信这些仍然可以被识别为物质——它们仍然具有质量的基本性质。

现代物理学教给我们一些截然不同的东西，而且与直觉截然相反。当我们以我们的方式从物质到原子，从原子到亚原子粒子，从亚原子粒子到量子场和力——我们完全看不到物质。物质失去了它的可触性。它失去了它的首要地位，因为质量成为了一种次要的质量，是无形的量子场相互作用的结果。我们所认识到的质量是这些量子场的行为;它不是属于或必然是他们固有的属性。

尽管我们的物质世界充满了坚硬和沉重的东西，但它却是能源占据统治地位的量子场质量只是能量的一种物理表现，而不是相反。

这在概念上相当令人震惊，但同时也非常吸引人。宇宙最大的统一特征是量子场的能量，而不是坚硬、不可穿透的原子。也许这并不是哲学家们一直坚持的梦想，但它仍然是一个梦想。

吉姆·巴戈特是一名自由科学作家。他曾是雷丁大学(University of Reading)的一名化学讲师，后来跳槽到壳牌国际石油公司(Shell International Petroleum Company)工作，后来成为一名独立的商业顾问和培训师。他的许多著作包括《起源:创世的科学故事》，《希格斯:上帝粒子的发明和发现》，《量子故事:40瞬间的历史》，和入门指南的现实。

参考文献

1.一个物体的惯性取决于它的能量含量吗?尤其是物理学18(1905)。

2.Wilczek F。生命之轻Basic Books，纽约，纽约(2008)。

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