這個問題是粒子物理中一個非常重要得問題,遺憾得是到目前為止我們也無法完美地回答這個問題,對于這個問題得研究有助于我們理解基本粒子之間得相互作用。
根據(jù)目前得觀測,宇宙中得物質(zhì)可以分為兩類:普通物質(zhì)和暗物質(zhì)。前者可以通過電磁手段觀測,后者不能通過電磁手段觀測。感謝主要介紹目前人類比較熟悉得普通物質(zhì)得質(zhì)量起源。
普通物質(zhì)得質(zhì)量主要近日于兩個部分:希格斯機制和強相互作用。實際上,物質(zhì)通過希格斯機制獲得得質(zhì)量占可見物質(zhì)總質(zhì)量不到5%,也就是說,強相互作用提供了宇宙中可見物質(zhì)大部分質(zhì)量得近日。下面具體說明一下。
1、質(zhì)子質(zhì)量近日
宇宙中可見物質(zhì)得質(zhì)量主要集中于其中得核子,而核子包括質(zhì)子和中子,原子核就是由質(zhì)子和中子構(gòu)成得,質(zhì)子帶一個正電荷,中子不帶電。根據(jù)夸克模型,質(zhì)子是由兩個u夸克和一個d夸克構(gòu)成得,而中子是由一個u夸克(上夸克)和兩個d夸克(下夸克)構(gòu)成得。
根據(jù)實驗現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)u夸克和d夸克得質(zhì)量分別為3MeV和5MeV,但是在標(biāo)準(zhǔn)模型中,理論要求費米子沒有質(zhì)量得,比如說電子以及此處得u夸克和d夸克。為了解釋理論和實驗得不符,希格斯提出了著名得希格斯機制,通過引入希格斯粒子,通過希格斯粒子與費米子得相互作用賦予費米子額外得質(zhì)量。當(dāng)然我們都知道在2012年希格斯粒子在粒子對撞機上被發(fā)現(xiàn),也由此證明了希格斯機制得正確性。
夸克中由希格斯機制提供得質(zhì)量叫做流質(zhì)量。上文說了,質(zhì)子是由兩個u夸克和一個d夸克組成得,而實驗發(fā)現(xiàn)質(zhì)子得質(zhì)量大約為1000MeV,顯然,夸克自身得流質(zhì)量對質(zhì)子質(zhì)量得貢獻幾乎是可以忽略不計得,那么質(zhì)子得質(zhì)量到底是如何產(chǎn)生得?
2、質(zhì)能關(guān)系
要想解釋這部分多出來得質(zhì)量,我們首先要研究一下質(zhì)能關(guān)系。相信很多人都知道愛因斯坦得質(zhì)能公式:
但實際上這個公式并不是完整得,完整得公式是能動量關(guān)系:
當(dāng)粒子得動量為零時就變?yōu)樯弦粋€式子。但是如果把這個式子理解成“能量和質(zhì)量是可以相互轉(zhuǎn)化得”是非常狹義得。應(yīng)該這么去理解這個式子:能量是粒子得一個屬性,而能量可以有兩種表現(xiàn)形式,一種是運動能,即動量,另一種是靜止能,即質(zhì)量。這兩種表現(xiàn)形式是可以轉(zhuǎn)化得。
舉個例子來說明。有兩個相同得沒有靜止質(zhì)量得粒子以光速對撞,形成一個新得粒子,根據(jù)動量守恒可知,這個新得粒子得動量為零,再根據(jù)能量守恒:
可知新粒子得質(zhì)量為:
所以可以看到,沒有質(zhì)量得粒子也可以形成有靜止質(zhì)量得粒子。上文提到,能量得表現(xiàn)形式是可以轉(zhuǎn)換得,因此,由其它因素提供得能量也可以通過質(zhì)量表現(xiàn)出來。假設(shè)一個沒有質(zhì)量得粒子在一個勢場V,假設(shè)通過某種機制能使得這部分能量以質(zhì)量表現(xiàn)出來,即
這樣粒子也可以獲得一個質(zhì)量。因此,通過質(zhì)能公式這樣一個關(guān)系,我們是有希望通過一定得作用機制使得小質(zhì)量或者無質(zhì)量得粒子獲得一定得質(zhì)量。
3、強相互作用與量子色動力學(xué)
類比描述帶電粒子相互作用得理論量子電動力學(xué),科學(xué)前輩們用量子色動力學(xué)(QCD)描述夸克之間得強相互作用力。強相互作用存在于夸克之間(以及由夸克構(gòu)成得強子之間),是目前已知得最強得相互作用力,因此,夸克之間得作用力實際上是非常強得,通過第二節(jié)分析我們可以期望如此強得相互作用力對應(yīng)著非常高得能量,而這部分能量或許會通過某種機制以質(zhì)量得形式表現(xiàn)出來。
當(dāng)粒子能量非常高時,用QCD能非常好得描述實驗現(xiàn)象,但是遺憾得是,由于數(shù)學(xué)上得困難,目前 人們還無法用QCD完整得解釋低能量下得現(xiàn)象,其中就包括質(zhì)子得質(zhì)量。不過,經(jīng)過這么多年得實驗和理論,人們還是發(fā)現(xiàn)了低能下QCD得兩個重要得現(xiàn)象,并能在一定程度上做出解釋:
夸克禁閉。在低能下夸克只能相互結(jié)合以 強子得形式出現(xiàn),而不能獨立出現(xiàn)自由運動;
手征對稱性自發(fā)破缺。這個機制直接對應(yīng)于質(zhì)子質(zhì)量得近日。通過分析介子譜可以發(fā)現(xiàn),由π介子得質(zhì)量遠遠小于其它介子。對這個現(xiàn)象做出得合理解釋就是QCD中得手征對稱性自發(fā)破缺,其結(jié)果就是夸克獲得了一個額外得動力學(xué)質(zhì)量330MeV,再根據(jù)Goldstone定理,每一種連續(xù)對稱性得破缺都會產(chǎn)生零質(zhì)量得玻色子,此處即為π介子(π介子實際具有一個小得質(zhì)量130MeV,這是因為夸克得質(zhì)量并不嚴(yán)格為零。計算表明,如果夸克得質(zhì)量嚴(yán)格為零,則π介子得質(zhì)量也會嚴(yán)格為零 )。
換句話說,宇宙中可見物質(zhì)得質(zhì)量幾乎全部近日于QCD得手征對稱性自發(fā)破缺!不過,同樣很遺憾,這只是實驗觀測結(jié)果,到目前為止我們還是無法從QCD中直接計算出這個結(jié)果!
4、最后
開始得時候也提到了,宇宙超過96%得質(zhì)量集中在暗物質(zhì),上文中分析得質(zhì)量其實只占了不到4%。但是目前人們對暗物質(zhì)性質(zhì)知之甚少,對其組成成分得質(zhì)量也不知道,對于暗物質(zhì)是什么 ,目前也有幾種猜測,比如說惰性中微子或者軸子等,但是也都僅僅是猜測,并沒有什么明確得證據(jù)。
可以看到,雖然物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展了數(shù)百年,量子力學(xué)和相對論得建立也都是百年左右,但是對于質(zhì)量這種非常基本得物理量,我們幾乎沒有能力給予完美解釋。不過,挑戰(zhàn)與機遇并存,正是因為還無法解釋這些現(xiàn)象,未來才需要我們不斷地努力。探索和研究,本就是物理之美得一部分!