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质量是如何产生的?

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子乾,兴趣使然的科普
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这个问题是粒子物理中一个非常重要的问题,遗憾的是到目前为止我们也无法完美的回答这个问题,对于这个问题的研究有助于我们理解基本粒子之间的相互作用。

前几天写过两篇关于质量是怎么产生的文章,此处就再次说一下。根据目前的观测,宇宙中的物质可以分为两类:普通物质和暗物质。前者可以通过电磁手段观测,后者不能通过电磁手段观测。本文主要介绍目前人类比较熟悉的普通物质的质量起源。

普通物质的质量主要来源于两个部分:Higgs 机制强相互作用。实际上,物质通过 Higgs 机制获得的质量占可见物质总质量不到 5%,也就是说,强相互作用提供了宇宙中可见物质大部分质量的来源。下面具体说明一下。

1、质子质量来源

宇宙中可见物质的质量主要集中于其中的核子,而核子包括质子和中子,原子核就是由质子和中子构成的,质子带一个正电荷,中子不带电。根据夸克模型,质子是由两个 u 夸克和一个 d 夸克构成的,而中子是由一个 u 夸克和两个 d 夸克构成的。

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质子由两个 u 夸克和一个 d 夸克构成

根据实验现象分析发现 u 夸克和 d 夸克的质量分别为

,但是在标准模型中,理论要求费米子没有质量的,比如说电子以及此处的 u 夸克和 d 夸克。为了解释理论和实验的不符,Higgs 提出了著名的 Higgs 机制,通过引入 Higgs 粒子,通过 Higgs 粒子与费米子的相互作用赋予费米子额外的质量。当然我们都知道在 2012 年 Higgs 粒子在 LHC 上被发现,也由此证明了 Higgs 机制的正确性。

夸克中由 Higgs 机制提供的质量叫做流质量。上文说了,质子是由两个 u 夸克和一个 d 夸克组成的,而实验发现质子的质量大约为

,显然,夸克自身的流质量对质子质量的贡献几乎是可以忽略不计的,那么质子的质量到底是如何产生的?

2、质能关系

要想解释这部分多出来的质量,我们首先要研究一下质能关系。相信很多人都知道爱因斯坦的质能公式:

但实际上这个公式并不是完整的,完整的公式是能动量关系:

当粒子的动量为零时就变为上一个式子。但是如果把这个式子理解成“能量和质量是可以相互转化的”是非常狭义的。应该这么去理解这个式子:能量是粒子的一个属性,而能量可以有两种表现形式,一种是运动能,即动量,另一种是静止能,即质量。这两种表现形式是可以转化的。

举个例子来说明。有两个相同的没有静止质量的粒子以光速对撞,形成一个新的粒子,根据动量守恒可知,这个新的粒子的动量为零,再根据能量守恒:

,

可知新粒子的质量为:

.

所以可以看到,没有质量的粒子也可以形成有静止质量的粒子。上文提到,能量的表现形式是可以转换的,因此,由其它因素提供的能量也可以通过质量表现出来。假设一个没有质量的粒子在一个势场

,假设通过某种机制能使得这部分能量以质量表现出来,即

这样粒子也可以获得一个质量。因此,通过质能公式这样一个关系,我们是有希望通过一定的作用机制使得小质量或者无质量的粒子获得一定的质量。

3、强相互作用与量子色动力学

类比描述带电粒子相互作用的理论量子电动力学,科学前辈们用量子色动力学(QCD)描述夸克之间的强相互作用力。强相互作用存在于夸克之间(以及由夸克构成的强子之间),是目前已知的最强的相互作用力,因此,夸克之间的作用力实际上是非常强的,通过第二节分析我们可以期望如此强的相互作用力对应着非常高的能量,而这部分能量或许会通过某种机制以质量的形式表现出来。

当粒子能量非常高时,用 QCD 能非常好的描述实验现象,但是遗憾的是,由于数学上的困难,目前 人们还无法用 QCD 完整的解释低能量下的现象,其中就包括质子的质量。不过,经过这么多年的实验和理论,人们还是发现了低能下 QCD 的两个重要的现象,并能在一定程度上做出解释:

  • 夸克禁闭。在低能下夸克只能相互结合以 强子的形式出现,而不能独立出现自由运动;
  • 手征对称性自发破缺。这个机制直接对应于质子质量的来源。通过分析介子谱可以发现,由 介子的质量远远小于其它介子。对这个现象做出的合理解释就是 QCD 中的手征对称性自发破缺,其结果就是夸克获得了一个额外的动力学质量, ,再根据 Goldstone 定理,每一种连续对称性的破缺都会产生零质量的玻色子,此处即为 介子( 介子实际具有一个小的质量 ,这是因为夸克的质量并不严格为零。计算表明,如果夸克的质量严格为零,则 介子的质量也会严格为零 )。

换句话说,宇宙中可见物质的质量几乎全部来源于 QCD 的手征对称性自发破缺!不过,同样很遗憾,这只是实验观测结果,到目前为止我们还是无法从 QCD 中直接计算出这个结果!

4、最后

开始的时候也提到了,宇宙 中超过 96%的质量集中在暗物质,上文中分析的质量其实只占了不到 4%。但是目前人们对暗物质性质知之甚少,对其组成成分的质量也不知道,对于暗物质是什么 ,目前也有几种猜测,比如说惰性中微子或者轴子等,但是也都仅仅是猜测,并没有什么明确的证据。

可以看到,虽然物理学已经发展了数百年,量子力学和相对论的建立也都是百年左右,但是对于质量这种非常基本的物理量,我们几乎没有能力给予完美解释。不过,挑战与机遇并存,正是因为还无法解释这些现象,未来才需要我们不断的努力。探索和研究,本就是物理之美的一部分!


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