物理科普:质量是怎么产生的?
今日头条 作者:中科院物理所 发布时间:2020-02-15 浏览次数:24
物理科普:质量是怎么产生的?
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今天我们将送出由科学出版社提供的优质科普书籍《天文学新概论》。
质量是怎么产生的?本书是作者在积累多年教学经验的基础上,结合天文学最新进展编写而成。前四版已得到广大读者的认可,第五版修订增加了引力波、重子声学振荡、人类第一张黑洞照片、中国500米射电望远镜FAST、中国悟空号暗物质探测卫星和慧眼号硬X射线调制望远镜等内容。
本书可以使读者比较系统地获得关于天体和宇宙的各种知识,科学地认识神秘而和谐的宇宙,了解人类生存的宇宙环境及人类探索宇宙的科学方法、艰辛历程和未来前景,达到开阔视野、启迪人生、提高科学素养和综合知识水平的目的。
只要你认真阅读下面的这篇文章,思考文末提出的问题,严格按照 互动:你的答案 格式在评论区留言,就有机会获得奖品!
作者:Jim Baggott
翻译:重光
审校:Nuor
质量是怎么产生的?你也许是在纸质书、平板电脑或者电子书上阅读这篇文章。不过这没什么关系,无论你在什么上面阅读这个,我们都有理由认为它是由某种东西制成的:纸、卡片、塑料或者在印刷电路板上包含的微小金属电子物品等。无论是什么,我们都称其为物质。它具有我们称之为坚固的特征,它具有质量。
但是物质到底是什么呢?设想一个立方体冰块,边长约1英寸(或2.7cm)。想象一下,将这块冰块握在手掌中。冰块很凉,且有点滑,在感觉上它几乎没有什么重量,尽管我们知道它有重量。
质量是怎么产生的?让我们精炼一下问题:这块冰是用什么组成的?此外,还有第二个的问题:什么是产生质量的原因?
要了解冰块是由什么组成的,我们需要借鉴化学家的经验。这些科学家以炼金术士建立的悠久传统为基础,区分出了不同的化学元素,例如氢、碳和氧。约翰·道尔顿(John Dalton)和路易斯·盖伊·卢萨克(Louis Gay-Lussac)对这些元素的相对重量与气体的结合体积的研究,得出了这样的结论:不同的化学元素由具有不同重量的原子组成,这些原子根据一组涉及原子总数的规则进行结合
当人们认识到氢气和氧气都是双原子气体H2和O2时,氢气和氧气的混合产生水的奥秘得以解决。那么水就是由两个氢原子和一个氧原子—H2O—组成的化合物。
这部分回答了我们的第一个问题。冰块由规则排列的H2O分子组成。我们也可以开始第二个问题。阿伏加德罗定律指出,1mol化学物质包含大约6×1023个离散的“粒子”。现在,我们可以简单地解释1mol物质,因为其分子量按克数递增。氢(以H2的形式)的相对分子量为2,这意味着每个氢原子的相对原子量为1。氧(O2)的相对分子量为32,这意味着每个氧原子具有相对原子量为16,因此,水(H2O)的相对分子量为2×1+16=18。
 

质子和中子中约有99%的质量似乎无法解释

假如碰巧我们的冰块重约18g,意味着它或多或少地代表1mol水。根据阿伏伽德罗定律,其包含约6×1023个H2O分子。这似乎为我们的第二个问题提供了明确的答案。冰块的质量来自存在于6×1023个H2O分子中的氢和氧原子的质量。
但是,当然,我们可以想得更深。我们从J.J.汤姆森(J.J. Thomson),欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)和尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)以及20世纪初期的其他物理学家中知道:原子中心都是重的原子核,原子核被轻的电子环绕。随后我们了解到原子核由质子和中子组成。原子核中的质子数决定元素的化学性质:氢原子有1个质子,氧原子有8个质子(这称为原子序数)。但是原子核的总质量由原子核中质子和中子的和决定。
氢仅仅只有1个核子(原子核由1个质子组成,没有中子)。氧的最常见同位素是——猜猜怎么着?——16个核子(8个质子和8个中子)。这些质子和中子的数量与我上面所说的相对原子量相同,这显然不是巧合。
如果忽略轻的电子,那么我们很容易得出冰块的质量存在于氢和氧原子核中的所有质子和中子的结论。每个H2O分子贡献10个质子和8个中子,因此,如果冰块中有6×1023个分子,并且忽略了质子和中子之间质量上的细微差别,我们得出结论,这块冰块总共包含108×1023个质子和中子。
到目前为止,一切看起来都很好,但是我们还没有完全解决问题。现在我们知道,质子和中子不是基本粒子,它们由夸克组成。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克,一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。在这些较大粒子中则是通过胶子将夸克结合在一起。
质量是怎么产生的?质子 | 来源:Wikipedia
好的,我们继续深入。如果再次将上、下夸克的质量近似为相同,我们只需乘以3,将108×1023个质子和中子变成324×1023个上、下夸克。我们得出结论,这是所有质量存在的地方。对吗?
 

裸夸克非常羞涩,并迅速用胶子遮掩了自己

不,这正是我们天真的先入为主的观念。我们可以在“Particle Data Group”网站上查找上、下夸克的质量。上、下夸克非常轻,无法精确测量其质量,只能引用范围。以下所有数据均以MeV/c2为单位。在这些数据中,上夸克的质量为2.3,范围为1.8~3.0。下夸克质量为4.8,范围为4.5~5.3。将它们与电子质量进行比较,电子质量以相同单位测量约为0.51。
质量是怎么产生的?来源:Wikipedia
令人震惊的是,在相同的MeV/c2单位下,质子质量为938.3,中子为939.6。两个上夸克和一个下夸克的质量加起来仅9.4,仅占质子质量的1%。两个下夸克和一个上夸克的质量加起来仅11.9,仅占中子质量的1.3%。质子和中子中约有99%的质量似乎无法解释。这是怎么了?
要回答这个问题,我们需要认识到我们正在处理什么。夸克不是希腊人或机械论哲学家想象的那种独立的“粒子”。它们是具有波粒二象性的粒子,基本量子场在振动或波动。上、下夸克仅比电子重几倍,而且我们已经在无数的实验室实验中证明了电子的波粒二象性性质。我们需要为一些奇怪的甚至是彻头彻尾的奇怪现象做好准备。
不要忘记不带质量的胶子,不要忘记狭义相对论,E=mc2,不要忘记“裸”夸克质量与带色夸克质量之间的差异。最后,同样重要的是,我们不要忘记希格斯场在所有基本粒子质量的“起源”中的作用。为了试图了解质子或中子内部发生了什么,我们需要研究量子色动力学(QCD),即夸克之间强相互作用的量子场论。
质量是怎么产生的?夸克和胶子具有一种叫“色荷”的性质。这到底是什么?我们无法真正了解。我们确实知道色荷是夸克和胶子的一种属性,物理学家选择了三种类型,将其称为红色,绿色和蓝色。但是,就像没有人“看见”过一个孤立的夸克或胶子一样,从定义上说,或多或少都没有人看到过净色荷(naked color charge)。实际上,量子色动力学(QCD)表明,如果可以暴露色荷,则它将具有近乎无限的能量。亚里士多德的格言是“自然讨厌真空。”今天我们可以说:“自然讨厌净色荷。”
质量是怎么产生的?不论种类,强子的总色荷为零 | 来源:Wikipedia
那么,如果我们能以某种方式创造带有净色荷的裸夸克,将会发生什么呢?它的能量会升高,足以将虚胶子从“空”的空间中引出。就像电子移动它的电磁场聚集虚光子一样,裸夸克也聚集虚胶子。与光子不同,胶子本身会携带色荷,它们能够通过抵消部分净色荷来降低夸克的能量。可以这样想:裸夸克非常害羞,并迅速用胶子遮掩住了自己。
但是,这还不够。能量足够高,不仅可以产生虚粒子(例如某种背景噪音),而且还可以产生基本粒子。在抵消净色荷中,产生了反夸克,其与裸夸克配对形成介子。没有配对,就永远不会看到夸克。
但这仍然没有解决问题。为了完全抵消色荷,需要反夸克与夸克同时出现在相同的时间和地点。海森堡的不确定性原理不会让自然界以此方式约束夸克和反夸克。请记住,精确的位置意味着无限的动量,能量随时间的精确变化率意味着无限的能量。大自然别无选择,只能妥协。它不能完全抵消色荷,但可以用反夸克和虚胶子将其掩盖,让能量至少降低到可控的水平。
 

当不断探索粒子内部世界时,我们已经完全无法精准认知物质。

这种事情在质子和中子内部也同样在发生。在限制的范围内,三个夸克相对自由。但是,必须抵消它们的色荷,或者至少必须减少净色荷的能量。胶子在夸克与夸克之间传递强相互作用。物理学家有时称构成质子或中子的三个夸克为“价”夸克,因为这些粒子中有足够的能量以形成进一步的夸克-反夸克对。价夸克不是这些粒子内部唯一的夸克。
这意味着质子和中子的质量可以很大程度上归因到胶子的能量以及色场中产生的夸克-反夸克对的能量。
我们是怎么知道的?好吧,必须承认,使用QCD进行计算实际上确实相当困难。强相互作用力非常强,因此强相互作用的能量非常高。请记住,胶子还带有色荷,因此胶子不但传递强相互作用,它还会参与强相互作用。几乎任何事情都可能发生,跟踪所有可能的虚粒子和基本粒子的变化非常困难。
质量是怎么产生的?中子内部相互作用的示意图。胶子用圆圈表示,中间是色荷,而外侧则带有反色荷。| 来源:Wikipedia
这意味着,尽管QCD的方程可以用相对简单的方式写下来,但不能在纸上进行解析求解。同样,在QED中成功使用的数学惯用技巧也不再适用,因为相互作用的能量非常高,我们无法应用重整化技术。物理学家别无选择,只能在计算机上求解方程。
一种被称为“QCD-lite”的QCD简化版取得了可观的进步。该简化版仅考虑不带质量的胶子和上、下夸克,并进一步假定夸克本身也是无质量的(因此,从字面上讲,是“lite”)。基于这些近似值的计算得出的质子质量仅比测量值轻10%。
让我们停一下来思考所谓的QCD的简化版本,其中我们假设任何粒子开始都不具有质量,但是质子的质量预测有90%的正确率。结论是非常惊人的。质子的大部分质量来自其构成的夸克和胶子相互作用的能量。
约翰·惠勒(John Wheeler)用短语“无质量的质量”来描述引力波叠加的效果,这些引力波可以集中和定位黑洞产生的能量。如果发生这种情况,那就意味着黑洞不是由一颗正在坍缩的恒星中的物质产生的,而是由时空的波动产生的。惠勒真正的意思是,这将是一种利用引力产生黑洞(质量)的情况。
但是惠勒的话用在这里是不恰当的。QCD的提出者之一弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)在讨论QCD-lite计算结果时将其联系了起来。如果质子和中子的质量大部分来自这些粒子内部发生的相互作用的能量,那么这的确是“无质量的质量”,这意味着我们可以将质量归因于某种行为而不是物质的固有属性。
这听起来很熟悉吗?回想一下,在爱因斯坦1905年关于狭义相对论的论文的开创性附录中,他得出的方程实际上是m=E/c2,这是很好的见解(不是E=mc2)。爱因斯坦写道:“物体的质量是其能量含量的量度。”[1]确实如此。维尔泽克在他的《The Lightness of Being》一书中写道:[2]
如果一个物体是人体(其质量绝大部分来自其所包含的质子和中子),那么答案就是明确且果断的。该物体的惯性(其准确度为95%)是其能量含量
在U-235原子核的裂变中,其质子和中子内部色场的一些能量被释放出来,具有潜在的爆炸性后果。在涉及四个质子融合的质子-质子链中,两个上夸克转换成两个下夸克,在此过程中形成两个中子,从而导致其色场释放出一点多余的能量。质量不会转化为能量。相反,能量从一种量子场传递到另一种。
我们从哪里开始偏离了直觉?自古希腊原子论者在2500年前就推测物质的本质以来,我们当然已经走了很长一段路。但是,在大部分时间里,我们一直坚信物质是我们物理宇宙的基本组成部分。我们一直坚信,拥有能量的是物质。而且,尽管物质可能可以还原为微观成分,但很长一段时间以来,我们相信这些仍然可以被认为是物质——它们仍然具有质量的主要特性。
现代物理学教给我们一些与众不同的东西,并且与直觉背道而驰。当我们探索粒子内部世界时,物质变成原子,原子变成亚原子粒子,亚原子粒子变成量子场和力,我们完全无法感性认识物质。由于无形量子场之间相互作用的结果,质量失去了它的主导地位,沦为物质的次要性质。我们认为质量是这些量子场的行为。它不是属于它们或必定是它们固有的属性。
尽管我们的物理世界充满了坚硬和沉重的事物,但至高无上的却是量子场的能量。
质量仅仅是该能量的物理体现,而不是相反。
从概念上讲,这是令人震惊的,但同时却极具吸引力。宇宙的最大统一特征是量子场的能量,而不是坚硬,不可穿透的原子。也许这不是物理家可能坚持的梦想,但仍然是梦想。
 
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