什么叫做质量(质量体系)

质量的起源是一个非常深刻的问题。任何从事物理学研究的人都会有极大的兴趣来思考这个问题。我在这里总结一下目前物理学家对质量起源的理解。

首先质量是什么？物理学中有一个观点是，定义一个物理量的最好的方法是给出测量它的方法。

按照这个观点，牛顿第二定律实际上给了一个质量的定义：物体受到的力和产生的加速度成正比，质量就是其中的比例系数。

而在牛顿的引力公式中，质量是两个物体相互吸引的力和物体之间距离平方的倒数之间的比例系数。

这两个测量方法给出了质量的两种定义，分别被大家称为 惯性质量和引力质量 。

天才的爱因斯坦同学深刻地提出了一个称为「等效原理」的观点，简单地理解就是，引力质量和惯性质量是等价的（或者专业地说，引力可以局域地等效为物体处在非惯性参考系中）。

这个深刻的洞察最终发展出爱因斯坦的引力方程。这些方程给出了引力的几何图像，用数学语言描述了质量是如何弯曲周围的时间和空间的。爱因斯坦的理论在1919年对光线在太阳附近被弯曲的实验观测中被证实。

讲到这里，我们只知道质量会产生哪些物理效应，比如惯性，以及对时空会有弯曲作用。我们对为什么会有质量还是一无所知。

下面讲一下2012年物理学界发生的一个轰动级事件，这是我们粒子物理学界这么多年最大的一个新闻，彻底改变了人类对质量的认识：这个事件就是「希格斯」粒子的发现。

质量是从哪里来的？

先说一下背景。理论物理学家对基本粒子的质量问题的研究很早就开始了。真正开始困扰物理学家的是1983年发现的W和Z玻色子，这些粒子作为规范粒子，不应该带质量的。但是实验发现，它们不仅有质量，而且还很重!

规范粒子不应该有质量的。如果作为粒子物理学中的基本理论「规范理论」存在问题，所有相应的物理理论都要推翻重来了！

还好，聪明的理论学家在W和Z粒子发现的几十年之前就提出过一个机制，叫作希格斯机制，这个机制可以给规范粒子赋予质量，同时也可以给如夸克之类的物质粒子赋予质量。W和Z玻色子的质量就可以用希格斯机制来解释。

不过，希格斯机制虽然很巧妙，但是这个理论却一直被科学家们质疑。

这是为啥呢？

主要因为这个理论中要求存在一个新的粒子，叫作希格斯粒子，正是这个希格斯粒子给其他粒子赋予的质量。可是这个希格斯粒子在实验中一直没发现。

物理学理论的发展是这样的：一切都以实验为基础，你的理论再完美，再漂亮，能够解释无数已有的实验，但是，物理学家仍然不会完全相信你的理论。你的理论必须做出一些预言，然后实验学家通过实验来证实或者否定你的预言。只有不断被实验证实的理论才会留存下来。

希格斯机制很完美，但是理论中的最重要粒子却没有发现，这是让所有物理学家都头疼的地方。

2012年是粒子物理学非常重要的一年，这一年不是世界末日，相反，这一年粒子物理地图中心最重要的那块宝石被找到了：希格斯粒子在实验室被发现，希格斯机制被实验证实。这是理论物理的一大胜利。

那么，希格斯机制怎么给物质赋予质量的呢？

简单地说，用最基本的物理原理构造出来的物理理论中，所有粒子都是无质量的。我们通过引入希格斯粒子和这些无质量的粒子相互作用，相当于粒子的运动受到牵制，就像泳池中的水会阻碍水中物体的运动，等效地看，就是那些粒子获得了质量。

好了，现在希格斯机制已经告诉了我们基本粒子为什么有质量了，那么，是不是我们周围的物质，还有我们自己都是因为希格斯机制才有质量的呢？

其实并不是。我们身体的质量都来自原子的质量，原子的质量绝大部分都来自原子核中的质子和中子。希格斯机制确实赋予了夸克等物质质量，但是由夸克组成的质子中子的质量是远远大于组成它们的夸克质量的。那么质子中子的质量是哪里来的呢？

其实多出来的质量来自强相互作用（能量）。质子中子的质量绝大部分都来自其中夸克和胶子的强相互作用（能量）。甚至可以说，夸克的质量对质子中子的质量贡献几乎忽略不计。所以，即使认为夸克质量为零，由于强相互作用的存在，由夸克胶子组成的质子中子仍然是有质量的。

尽管如此，希格斯机制仍然非常重要。它赋予了电子质量，正是因为电子有质量，由电子和原子核组成的原子才能稳定存在，才会形成我们现在的世界。

上面都是对非物理专业的科普。

那么，我们现在是不是已经知道宇宙中物质的质量起源了呢？

并不是，还差得远！

为什么这么说？因为宇宙中只有5%左右是我们熟悉的普通物质，上面的理论都解释的是普通物质的质量。还有70%的暗能量，25%的暗物质我们是完全不了解的。我们不知道它们的质量是哪里来的，它们由什么组成的。所以，人类对质量起源的探索还在继续。