本文要講的并不是某一件產(chǎn)品品質(zhì)的好壞，而是所有物質(zhì)（包括我們自己）最基本的物理性質(zhì)。

物質(zhì)為什么會(huì)有質(zhì)量？這是一個(gè)很有意思的問題，我們將在本文中重點(diǎn)探討。

質(zhì)量 ≠ 重量

許多人會(huì)關(guān)心自己的體重，假設(shè)一個(gè)身體質(zhì)量為50kg的女孩子，她在新加坡稱體重，結(jié)果會(huì)是多少呢？重量的本質(zhì)是地球?qū)ξ矬w的引力大小，因此首先我們請(qǐng)出萬有引力公式：

F=G·m1m2/R2

體重秤稱的是地球引力

其中引力常數(shù)G=6.6741×10?11 N·m2/kg2，地球的質(zhì)量m1=5.965×102? kg，女孩的質(zhì)量m2=50kg，地球赤道半徑R=6378137m，極半徑6356752m。

將數(shù)據(jù)代入公式后可得：F = 489.31156N = 49.896 kgf

49.896kg,看樣子要比她的實(shí)際體重輕一點(diǎn)。

別急！新加坡位于赤道附近，隨著地球自轉(zhuǎn)，女孩在地球赤道表面實(shí)際上還在做離心運(yùn)動(dòng)，因此她同時(shí)還受到一個(gè)向上的慣性力，我們以離心運(yùn)動(dòng)向心力公式：

f = mω2R

在赤道與北極稱的體重是不同的

將m=49.896 kg，地球角速度ω=7.292×10?? rad/s，R=6378137m代入公式后得到：

f = 1.6922 N =0.173 kgf

女孩子在新加坡測(cè)量的體重為：F - f = 49.896 - 0.173 = 49.72 kg

同樣在地球，這個(gè)女孩子在北極測(cè)得的體重則是：492.61N = 50.23 kg

注意到了沒？女孩在北極稱的體重要比在赤道重1斤多！

女孩子稱的并不是她的質(zhì)量，而是地球的引力。如果要想知道一個(gè)物體的質(zhì)量是多少，物理老師會(huì)建議你使用物理天平，它的測(cè)量結(jié)果會(huì)準(zhǔn)確許多。

天平是測(cè)量質(zhì)量的常用工具

質(zhì)量是什么？

經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，質(zhì)量是物質(zhì)的量。牛頓說“質(zhì)量等于物體的密度與它體積的乘積”，不同的物質(zhì)有不同的密度。

在牛頓力學(xué)中，質(zhì)量是量度物體慣性大小的物理量。

通過牛頓力學(xué)第二定律：F=ma，我們可以看出質(zhì)量m越大的物體，我們想要改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需要的力就越大，因此物體的質(zhì)量m被稱為慣性質(zhì)量，它是不變的，與速度大小無關(guān)。

通過牛頓的萬有引力公式我們可以發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的質(zhì)量是產(chǎn)生引力的必要條件，沒有質(zhì)量就沒有引力，質(zhì)量越大的物體其引力就越大。因此，質(zhì)量m的這種表現(xiàn)又被稱為引力質(zhì)量。

宇宙中的所有物質(zhì)都是既有慣性質(zhì)量又同時(shí)有引力質(zhì)量，質(zhì)量是物質(zhì)的最基本特性之一。

萬有引力定律體現(xiàn)了質(zhì)量與引力的關(guān)系

對(duì)于質(zhì)量，愛因斯坦有不同的看法，他認(rèn)為物體的質(zhì)量是它所含能量的大小，質(zhì)量與能量是等效關(guān)系。這從著名的愛因斯坦質(zhì)能方程可以清晰地表達(dá)：

ΔE=Δmc2

其中ΔE代表能量的變化量，Δm為質(zhì)量的變化量，c為真空中的光速，它是一個(gè)規(guī)定值。

為了便于公眾理解，這個(gè)方程經(jīng)常被簡(jiǎn)寫為E=mc2，E為能量，m為質(zhì)量。

有人以此為據(jù)，說物質(zhì)的質(zhì)量就是能量，這是不對(duì)的。嚴(yán)格地說愛因斯坦認(rèn)為在一個(gè)慣性系中，質(zhì)量等效于能量，具有一定慣性質(zhì)量的物體必定有相應(yīng)數(shù)量的能量。質(zhì)量因能量而扭曲時(shí)空，扭曲的時(shí)空又可以移動(dòng)質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度很快時(shí)，質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化。

相對(duì)論認(rèn)為質(zhì)量扭曲時(shí)空，彎曲的時(shí)空移動(dòng)質(zhì)量

為什么物體會(huì)有質(zhì)量？愛因斯坦沒有說。這個(gè)答案需要從量子力學(xué)中尋找。

量子力學(xué)認(rèn)為，物體之所以有質(zhì)量是因?yàn)榻M成物體的基本粒子有裸質(zhì)量，而廣義角度的物理質(zhì)量則是由基本粒子間的相互作用、以及基本粒子與其周圍量子場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生的。

物質(zhì)質(zhì)量的微觀解釋

到目前為目，宇宙中所有已知的物質(zhì)大到恒星、行星，小到昆蟲、細(xì)菌都是由微觀的基本粒子構(gòu)成。無論是構(gòu)成人體細(xì)胞的碳、氫、氧、鈣，還是用于制造手機(jī)的鐵、鋁、銅、硅等元素，它們都是由質(zhì)子、中子和電子進(jìn)行不同排列組合的結(jié)果。

物質(zhì)之所以擁有質(zhì)量，是因?yàn)闃?gòu)成一切元素的微觀粒子擁有物理質(zhì)量。

質(zhì)子的質(zhì)量= 1.6726231×10?2? kg

中子的質(zhì)量= 1.6749286×10?2? kg

電子的質(zhì)量= 9.118195399×10?31 kg

質(zhì)子與中子是由夸克“粘合”而成，其中質(zhì)子由兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克結(jié)合，中子由一個(gè)上夸克與兩個(gè)下夸克結(jié)合而成，夸克與夸克之間由膠子傳遞的強(qiáng)相互作用力結(jié)合在一起。

兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克由膠子結(jié)合成一個(gè)質(zhì)子

問題來了：上夸克的裸質(zhì)量?jī)H有 2.3MeV/c2，下夸克的質(zhì)量也僅有約4.8MeV/c2，組成質(zhì)子的兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克的質(zhì)量之和為9.4MeV/c2，電子的等效質(zhì)量為0.511MeV/c2，三個(gè)夸克質(zhì)量之和僅為電子質(zhì)量的18.4倍。而質(zhì)子的實(shí)測(cè)靜止質(zhì)量卻是電子的1836倍，這中間巨大的差值是從哪里來的？

基本粒子分類以及它們的質(zhì)量

按泡利不相容原理，夸克不能單獨(dú)存在，它必須與其它夸克相結(jié)合，夸克與夸克之間由膠子通過強(qiáng)力“粘接”。在量子規(guī)范場(chǎng)論標(biāo)準(zhǔn)模型中，膠子是規(guī)范玻色子，它只負(fù)責(zé)夸克間強(qiáng)力的傳遞，與傳遞電磁相互作用的光子一樣，膠子本身質(zhì)量必須為零。它需要從外部“借”來質(zhì)量。

這個(gè)質(zhì)量是由希格斯場(chǎng)“借出”的。

希格斯場(chǎng)一直被認(rèn)為充滿著宇宙包括宇宙的真空。1964年，英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯和他的幾位同事用純粹的數(shù)學(xué)方法證明，如果存在某種類型的宇宙背景場(chǎng)，那么傳遞力的粒子就會(huì)表現(xiàn)得像它們有質(zhì)量一樣。希格斯勢(shì)與復(fù)值希格斯場(chǎng)伴生，它們之間的關(guān)系就像是一頂墨西哥帽子，“帽子”底部的最低能量態(tài)可以使原本無質(zhì)量的規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量。

希格斯場(chǎng)與希格斯勢(shì)可以使膠子獲得質(zhì)量

希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)所激發(fā)的粒子，物理學(xué)家們花了幾十年的時(shí)間尋找它，因?yàn)?strong>只有找到它才能證明希格斯場(chǎng)的存在，進(jìn)而回答為什么浸泡著夸克的“膠子湯”擁有質(zhì)量。2012年7月， 歐洲核子研究組織（CERN）宣布，他們利用昂貴的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）轟擊出了希格斯玻色子，它的質(zhì)量大約為126GeV/c2，至此科學(xué)家們已經(jīng)確定希格斯場(chǎng)是存在的，并且希格斯玻色子的觀測(cè)質(zhì)量符合理論計(jì)算值范圍。

強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子

再談一談光子的靜止質(zhì)量

學(xué)過高中物理的人大多知道“光子沒有質(zhì)量”，在量子物理中光子被定義為規(guī)范玻色子，它的靜止質(zhì)量“嚴(yán)格為零”，它只有動(dòng)質(zhì)量。光子的動(dòng)質(zhì)量是由其能量賦予的。

我在前幾天《光子靜止質(zhì)量不為零對(duì)物理學(xué)的重大影響》一文中提到了廣義相對(duì)論允許光子有相對(duì)靜止質(zhì)量，有的朋友不理解，因?yàn)楠M義相對(duì)論認(rèn)為光子的質(zhì)量必須為0，廣義相對(duì)論建立在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)之上，為什么廣義相對(duì)論又允許光子有靜止質(zhì)量？特在此補(bǔ)充說明。

我們對(duì)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式進(jìn)行一次推導(dǎo)：

光子相對(duì)靜止質(zhì)量公式推導(dǎo)

已知η是常數(shù)，η= 5.2123×10??? g·s，ω為光的頻率，單位是Hz。

可見光的頻率范圍是101?~101? Hz，將其代入上述公式，可以得出光子的最大靜止質(zhì)量范圍在：10?3? ~10?33g之間。

一束頻率為5.0812×101? Hz的黃光，它的光子靜止質(zhì)量上限大約為2.6485×10?33 g。

或許光子與膠子一樣，它的相對(duì)靜止質(zhì)量也是從某個(gè)場(chǎng)“借來的”？我們還需要繼續(xù)探索以尋找答案。

總結(jié)：

一、重量不是質(zhì)量，我們平常稱的重量只是有質(zhì)量物體與地球相互引力的度量值。

二、質(zhì)量有許多種不同的表達(dá)，它的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)量的度量。

三、一切物質(zhì)由微觀粒子構(gòu)成，微觀粒子的質(zhì)量、數(shù)量以及粒子間的相互作用關(guān)系決定了物質(zhì)的質(zhì)量。

四、有些在理論上被定義為“靜止質(zhì)量為0”的粒子，它們可以通過希格斯場(chǎng)的相互作用而獲得質(zhì)量。