倘若有人問你:“你的體重從何而來?” 你或許會打趣道:“吃出來的唄!” 但要是向科學家拋出這一問題,他們大概率會提及 “希格斯場” 這個專業詞匯。
在不少科普作品里,希格斯場常被視作質量之源??墒聦嵣?,希格斯場僅為宇宙中極其微小一部分質量負責,而我們的體重實則源自另一種奇妙的現象。
希格斯場的概念誕生于 20 世紀 60 年代。那時,物理學家們提出了 “電弱統一理論”,試圖將電磁力與弱核力合二為一。這兩種看似迥異的力,實則是同一種基本力的不同表現形式,就如同水能夠以液態、固態(冰)或氣態(水蒸氣)的形式存在。
然而,這一理論存在一個關鍵缺陷:它推斷所有亞原子粒子都應是 “無質量” 的。
顯然,這一推斷與實際情況相悖。為化解這一難題,物理學家們假定了一種能量場 —— 希格斯場。希格斯場能夠賦予某些粒子質量,這一機制成功挽救了電弱理論。后來,人們發現了希格斯玻色子,它還被形象地稱為 “上帝粒子”。2012 年,歐洲核子研究中心(CERN)的實驗首次直接觀測到希格斯玻色子,這一成果證實了希格斯場的存在,也驗證了電弱統一理論。
誠然,希格斯場確實為一些粒子賦予了質量,例如電子以及質子和中子的組成部分 —— 夸克。所以,我們常常聽聞 “希格斯場讓我們擁有質量” 這樣的說法。但這僅僅是整個故事的冰山一角。
為了深入探尋其中奧秘,不妨以一位體重 70 千克的人為例。從化學角度來看,人體的質量由組成人體的分子所決定,這些分子的總質量恰好是 70 千克。然而,進一步探究就會發現,分子由原子構成,而原子內部包含質子、中子和電子。
在原子中,質子和中子的質量占據絕對優勢,電子的質量則微乎其微,僅約為質子或中子質量的 0.05%。這就意味著,人體的大部分重量源于原子核中的質子和中子。
現在,讓我們把目光聚焦到質子和中子本身。每個質子和中子都由三顆夸克組成。那么,三顆夸克的質量總和是否就等于質子或中子的總質量呢?令人意想不到的是,答案是否定的!倘若將人體內所有夸克的質量相加,大約僅為 3 千克左右。
那么,剩下的 67 千克的質量究竟從何而來呢?
這一問題的答案就隱藏在愛因斯坦著名的質能方程:E = mc2 之中。根據這一方程,能量與質量是等價的。盡管夸克本身的質量極小,但它們在質子和中子內部以極高的速度運動,這種高速運動產生了巨大的動能。依據質能方程,這些動能能夠直接轉化為質量。
此外,夸克之間通過強相互作用力(也就是強核力)相互束縛,而這種力同樣是巨大的能量源泉。
簡單來說,質子和中子的質量主要來源于兩個方面:一是夸克高速運動的動能,二是夸克之間強核力的 “束縛能”。這兩部分能量相加,便構成了我們所觀測到的大部分質量。換言之,我們的質量實際上是由能量構成的,而非傳統意義上的 “物質”。
這一理論無疑顛覆了我們對物質的傳統認知。在日常生活中,我們總是習慣性地認為物質是由 “實實在在的東西” 組成的。然而,科學卻揭示出物質的本質其實是能量。
打個比方,這就如同一個被極度緊繃的彈簧,其中儲存了海量的能量。質子和中子中的能量正是以這種極為緊湊的方式儲存著。倘若將這些能量釋放出來,其產生的影響將是極其驚人的,這也正是核反應具有強大威力的原因所在。
科學常常促使我們重新審視 “現實” 的真正含義。從 “質量” 這一常見的物理量出發,我們意外地發現了一個充滿奇跡的微觀世界。原來,我們并非由傳統意義上的 “物質” 構成,而是由能量所構成。
換句話說,我們自身就是能量的一種存在形式。當你再次低頭審視自己的身體時,或許會以一種全新的視角來看待它。
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