宇宙是一台复杂的大机器,信息和能量通过光速传递,在真空中,光速约为每秒30万公里。为何光速如此之快,它的动力源自何方?



这个难题的解答可能揭示宇宙的奥秘。

量子世界是奇异而矛盾的,粒子同时也是波。光的量子,也叫光子,其麦克斯韦方程解的常数,意味着光速恒定不变。



若从粒子角度来看,光子的静止质量为零,其运动速度即为光速。爱因斯坦以光速不变原理为基础,推演出了震撼世界的《狭义相对论》,揭示了那些拥有不为零的静止质量的物质无法达到光速。而静止质量为零的粒子,则可以轻松以光速移动。



《狭义相对论》进一步推导出爱因斯坦著名的质能方程:E=mc²,表明了能量和质量的等价关系。质速关系连接了速度和质量,质能方程又将能量纳入了等式。



那么,能量、光速、质量这些看似毫无关联的事物,它们之间到底有何联系?

牛顿在其经典之作《自然哲学的数学原理》中阐述了m=ρv,指出质量是对物质的衡量,与体积和密度相关。他提到,质量赋予了物体保持原有运动状态的能力,无论是静止还是匀速移动。



例如,一个拥有巨大质量且匀速飞向地球的小行星,哪怕没有任何外力作用,你也无法轻松地穿着宇航服靠近它并将其推开,因为质量越大,惯性就越大。

牛顿只是阐述了质量的效果和作用,但并未阐明质量是什么。而爱因斯坦直接提出了E=mc²,指出了质量与能量的平方光速关系,但质量并不等同于能量。那么,质量与能量的根本联系又是什么?同样没有给出明确答案。

实际上,牛顿和爱因斯坦都无法清晰解答,因为受限于当时人类的观察尺度和科技水平。关于光速、质量、能量的谜团,直到21世纪人类才彻底明了,并有了确凿的证据。



2012年,欧洲核子研究中心发现了质量的源泉——希格斯玻色子,解开了长久以来的谜团。

本不应该存在的物质,本应该都以光速移动。我们应该反问,为什么物质这么“慢”,而不是光速为什么这么“快”。



因为宇宙中的基本粒子有一部分被“束缚”,物质的质量源于粒子的质量,而粒子质量的来源又是被能量束缚。被束缚的结果就是无法达到其本应有的速度,而能量则源自于基本粒子间的相互作用。牛顿和伽利略将这种相互作用称之为“力”。然而,更好的表述物质本质的术语是——规范场,简单来说,就是“场”。

从粒子视角来看,宇宙的万物都是由基本粒子组成,它们的尺寸甚至比原子、分子还要小。这些粒子间通过四种基础的相互作用(力)彼此接触,正是这些粒子与相互作用构建了宇宙中的万千现象与物质。



换句话说,宇宙间的所有物质和现象都可以用这四种相互作用力来解释,而相互作用的产生源于粒子自身的内在特性。例如:

磁铁会排斥或吸引,这是电磁力作用的结果,其本质是粒子间通过交换光子产生的力,可以理解为光子在粒子间传递。电磁力之所以存在,是因为粒子带有电荷,比如电子带有负电,质子带有正电。



原子的主要质量集中在原子核,而原子核由质子(中子)构成,质子(中子)又由三个夸克组成。这些夸克拥有不同的电荷属性。



胶子带有电荷,不断地改变夸克的电荷属性。胶子传递的能量可以“捆绑”质子中的夸克,使得“被捆绑的三价夸克”的组合(质子或中子)不会发生排斥作用,因为同性相斥,而原子核内的质子都带有正电,光子产生的电磁力的排斥力本应把质子们分开。



然而,胶子的相互作用(强力)强于电磁力,因此,在宇宙中形成了原子核。



此外,宇宙物质的构成还包括弱相互作用与万有引力,在此不作详述。那么,质量的真正源泉是什么?

原子由核外电子和原子核构成,电子质量微不足道,可以忽略不计。原子核的质量则由质子和中子的和组成,而质子和中子又由三个夸克构成。然而,质子和中子的质量是三个夸克的质量之和吗?答案并不简单。



一个质子的质量是938.272MeV/c^2,转换成质量约为1.6726x10^-27kg。

科学家曾通过高能强子对撞产生深度非弹性散射,激发正反夸克湮灭,通过爆发出的伽马能谱精确计算了夸克的质量,他们发现质子中的三个夸克静止质量之和约为9.4MeV/c^2,这意味着夸克本身的质量只占质子质量的1%。

那么,质子(中子)剩余的99%的质量从何而来?爱因斯坦的E=mc^2为我们提供了答案。虽然胶子的静止质量为零,但质量等价于能量,99%的质量可计算为m=E/c^2,E即胶子的强相互作用。



换言之,质量是能量的另一种表现形式。

质能与基本粒子的相互作用解释了宇宙大部分质量的来源,那么,质子中1%的夸克质量以及电子等一切具有静止质量的基本粒子本身的质量又从何而来?它们为何不直接是能量的载体,而是拥有空无一物的“外壳”?

我们弄清了99%质量的来源是粒子间的相互作用,但粒子本身的质量从何而来,这个问题曾一度威胁到了“量子力学”的根基。

1916年,爱因斯坦发表了《广义相对论》,物理学家赫尔曼·外尔看到了该理论,如获至宝,仿佛窥见了“上帝的说明书”,他对其着迷至极。



在《广义相对论》中,引力场被描述为时空几何,而外尔对几何学的深刻理解使他看到了几何学中的“场”不仅可以描述引力,甚至可以统一所有物理底层理论。



摆在他面前的是现成的电磁场理论(麦克斯韦),于是在1918年发表了《空间、时间、物质》之后,在1928年又发表了更深入本质的《群论和量子力学》。然而,当时许多物理学家认为群论过于抽象,“统一场论”过于遥不可及,鲜有人愿意投入时间研究它。



之后的故事众人皆知,1954年,杨振宁和学生米尔斯基基于外尔的“规范场”理论,发展出了著名的杨米尔斯理论,从此场论不仅包含了电磁力,还包含了弱力(相互作用)。

紧接着,盖尔曼站在了杨的肩膀上,将杨米尔斯理论进一步扩展到强力(相互作用)。至此,只剩下引力场未被统一,因为尚未找到引力子,从而无法完成理论的大一统。



此外,粒子本身的质量起源也未找到,但基于场论,科学家们找到了新的研究方向。

英国物理学家彼得·希格斯提出,在宇宙大爆炸之前,所有物质都不存在,也不具备质量。为何大爆炸一秒后,所有物质都获得了质量?既然静质量为零的胶子能形成“胶子场”,场中累积足够能量会释放胶子,那么宇宙间是否还存在某种场,在宇宙诞生一秒后,以不亚于光速的速度快速渗透空间,与新生的基本粒子(夸克、电子)相互作用,让它们获得一定质量,却不作用于亚原子(质子、中子)?



2012年,人类发现了希格斯玻色子,希格斯机制得到证实,宇宙间的希格斯场无处不在。但由于不同粒子的特性不同,希格斯场并非与所有粒子都会发生作用。



希格斯场如同海洋,充满整个宇宙,夸克、电子等粒子会受到这片“海洋”的冲击,受到阻力,这种阻力转化为一种类似势能的能量,表现在粒子上便是质量。粒子受到的阻力越大,其质量也就越大,爱因斯坦的质能方程再次描绘了质与能的关系。然而,希格斯机制并不束缚光子、胶子等粒子,因此它们能以光速在真空中穿行,不具备静止质量。

希格斯玻色子,被称为“上帝粒子”,是质量之源,是宇宙的最底层逻辑,赋予某些粒子质量,又忽视了其他粒子,构成了宇宙的基本框架,让某些粒子成为“粘合剂”,将质量聚合在一起,形成了星系、星球,还有我们。



宇宙的一切本应以光速运行,因为希格斯场的束缚,它们被“拖了后腿”,而光只是以它固有的速度前进,无需任何动力。

ad1 webp
ad2 webp
ad1 webp
ad2 webp