質素這個在我們日常生活中司空見慣、似乎無需多加解釋的概念，實際遠比表面看起來復雜得多。對於大多數人而言，質素不過是物體「重」的表現形式，工程師們則習慣於把它作為計算和設計中的一個參數，仿佛它的存在天經地義，不值得深究。但當我們認真探討「質素」究竟是什麽時，背後的問題比想象中要深邃得多。你可能會想：「質素不就是物體固有的內容嗎？」這種看法似乎理所當然。然而，當你深入思考時，這個問題遠沒有那麽簡單。平常我們所談論的體重，其實更多是地球重力作用的結果，而非質素的本質體現。那麽，質素到底是什麽呢？它又從何而來呢？
事實上，盡管科學家們已經為這個問題奮鬥了數個世紀，質素的真正起源仍然籠罩在迷霧之中。即便是站在現代科學前沿，我們依舊無法給出明確的答案。2012年，歐洲核子研究中心宣布，經過大量實驗，他們在大型強子對撞機中發現了希格斯玻色子，也被稱為「上帝粒子」。這個發現為我們揭示了一個令人震撼的事實：在宇宙中，存在著一種我們看不見、摸不著的神秘場——希格斯場。宇宙並不是空無一物的虛空，而是被看不見的量子場填滿。這些量子場如同無形的薄膜，將我們所知的一切包裹其中。科學家們認為，正是希格斯場賦予了粒子質素。本期內容我們就來聊聊這個話題。
1687年， 牛頓發表了著名的【自然哲學的數學原理】， 這部名垂青史的巨著，不僅開啟了現代科學的序幕，也為後世的物理學發展提供了牢固的框架。在書的第一部份，牛頓對各種物理量進行了定義，其中尤為重要的是他對質素的定義。根據牛頓第二定律，質素描述了物體的慣性，或一個物體抵抗運動狀態變化的能力。簡言之，質素越大，改變其運動狀態就越困難，這便是我們所說的慣性質素。牛頓對質素的描述雖然直觀，卻仍然較為抽象，未能觸及其本質。隨著物理學的發展，科學家們開始探索質素背後更深層的含義。20世紀初，愛因斯坦透過他的狹義相對論為質素提供了更為具體的解釋。他提出，質素的本質實際上是能量。愛因斯坦著名的質能方程式 E=mc2已經家喻戶曉，它揭示了質素與能量之間的等效關系：質素和能量可以視為同一事物的兩種表現形式。
從這個角度來看，質素並不獨立存在，而是能量的另一種體現。打個比方，質素就像能量的「固態」形態，能量則是其「流動」形態。無論是靜止的物體還是運動的粒子，它們的質素都源自內部所包含的能量。當能量被「壓縮」或「固化」時，就表現為我們所測量的質素。因此，我們所認知的世界，不論是日常生活中看到的物體，還是遙遠星空中的天體，本質上都不過是能量的不同形態。然而，無論是我們熟悉的慣性質素，還是與重力相關的重力質素，這些都只是質素的表象，未能觸及其真正的本質。要想揭開質素之謎，許多人自然會想到，或許只需找到物質的最小單位，看看這些基本粒子是如何獲得質素的，這個問題就可以迎刃而解了。
我們都知道，日常所見的宏觀物體都是由微觀粒子組成的。萬物由原子構成，原子則由電子和原子核構成。原子核內部又包含質子和中子。在這之中，原子的絕大部份質素都來自原子核，而電子的質素相對微小，可以幾乎忽略不計。電子作為一種基本粒子，已經無法再進一步分割，其質素源於粒子自身。而質子和中子則不同，它們並非基本粒子，而是由更小的基本粒子——誇克組成。看似簡單的問題在這裏變得復雜起來。按理說，質子和中子的質素應該等於它們內部誇克質素的總和。然而，科學家們透過實驗發現，誇克的質素加起來還不到整個原子核質素的1%。這就引發了一個耐人尋味的問題：剩下的99%的質素到底去了哪裏？雖然人類已經能夠找到最小的基本粒子，但「質素之謎」依舊未解。
這是因為，單單找到這些基本粒子還不足以徹底揭開質素的本質。我們常說的誇克和電子，雖然是物質最基本的單元，但它們的質素並非源自粒子本身，而是與基本力密切相關。要真正破解質素之謎，不僅需要探究基本粒子，還需要了解支配這些粒子的基本力是如何產生的。科學家們發現，維持原子內部穩定的基本力主要有三種：第一種是電磁力，它讓電子在原子核周圍執行；第二種是弱核力，它導致微中子從原子核中射出，是放射性衰變的重要機制；第三種是強核力，它將誇克緊密束縛在一起，形成質子和中子。根據愛因斯坦的質能等效原理，能量與質素可以相互轉換。強核力以巨大的能量把誇克牢牢捆綁在一起，這部份能量等價於質子和中子99%的質素。因此，質子和中子的大部份質素並非來源於誇克本身，而是來源於這些強相互作用產生的能量。
雖然這一發現揭示了絕大部份質素的來源，但剩下的1%卻成了科學家們最為頭疼的問題。根據標準模型的理論，基本粒子的靜止質素應該為零，也就是說，誇克和電子等基本粒子本身不應該有質素。那麽，這1%的質素到底從何而來呢？就在科學界陷入困境的時候， 一位關鍵人物 楊振寧 登場了。他有著一個宏大的願望，希望能夠找到一個統一電磁力、弱核力和強核力的公式。於是，1954年，楊振寧和米爾斯發表了楊米爾斯規範場理論，這是一個劃時代的理論。然而，這個理論卻帶來了一個驚人的問題：所有的粒子都是沒有質素。這可把物理學家們嚇了一跳。如果粒子沒有質素，那就意味著整個世界都沒有質素，這完全不符合我們的觀察。於是，他們提出了一個新的假設：宇宙中一定還存在著某種我們不知道的「場」，這個「場」可以和粒子發生作用，賦予粒子不同的質素。
這個理論被稱為希格斯機制，而賦予粒子質素的「場」叫做希格斯場。那麽，科學家們如何確定希格斯場的存在呢？答案就在於「希格斯粒子」。希格斯粒子又被稱為「上帝粒子」，是希格斯場受到激發擾動形成的。2012年，科學家終於發現了希格斯粒子的存在。證實了 質素是希格斯場賦予某些粒子的產物。 但並不是所有的微觀粒子都會與希格斯場發生作用。比如說，光子就不會受到希格斯場的影響， 然而，質素的謎團依然遠未徹底破解。盡管我們已經理解了強相互作用與希格斯場在質素形成中的重要角色，這仍然只是質素的一種表象。我們對質素的理解，就像開啟了一扇通向未知世界的大門，背後等待解開的謎團，依然充滿無限可能。 對此，你們怎麽認為呢？ 歡迎大家踴躍討論，感謝大家觀看，我是探索宇宙，我們下期再見。
