一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題：萬(wàn)物的質(zhì)量到底是什么？

牛頓在其經(jīng)典著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了定義。他認(rèn)為質(zhì)量是描述物質(zhì)的一個(gè)量度，決定了物質(zhì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度，這種定義也被稱(chēng)為慣性質(zhì)量 ，用公式表達(dá)為 F=ma（其中 m 代表物體的質(zhì)量，a 代表其加速度，F(xiàn) 則是作用在物體上的總力）。

從這個(gè)公式不難看出，質(zhì)量越大的物體，想要改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的外力就越大。例如，推動(dòng)一輛靜止的汽車(chē)要比推動(dòng)一輛自行車(chē)?yán)щy得多，這是因?yàn)槠?chē)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自行車(chē)，它保持原有靜止?fàn)顟B(tài)的慣性更強(qiáng)。

同時(shí)，在牛頓的引力公式 F=G（m?m?/r2）中（其中 G 為引力常數(shù)，m?、m?是兩物體的質(zhì)量，r 為物體之間的距離 ），質(zhì)量又成為了兩個(gè)物體相互吸引的力和物體之間距離平方的倒數(shù)之間的比例系數(shù)，此處的質(zhì)量反映了物體引力作用的大小，被稱(chēng)為引力質(zhì)量。

然而，牛頓對(duì)質(zhì)量的定義雖然具有開(kāi)創(chuàng)性意義，為后續(xù)的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，但也存在一定的局限性。

他只是從宏觀(guān)表象上對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了定義，描述了質(zhì)量在力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及引力現(xiàn)象中的外在表現(xiàn)，并沒(méi)有深入到微觀(guān)層面去探究質(zhì)量的本質(zhì)究竟是什么，質(zhì)量從何而來(lái)。就好比我們看到蘋(píng)果落地，牛頓的理論可以解釋蘋(píng)果落地是因?yàn)槭艿降厍蛞ΓΥ笮∨c蘋(píng)果和地球的質(zhì)量等因素有關(guān)，但卻無(wú)法說(shuō)明蘋(píng)果和地球的質(zhì)量本身是如何產(chǎn)生的。

正是這種局限性，激發(fā)了后世科學(xué)家們不斷深入探索，去揭開(kāi)質(zhì)量起源的神秘面紗，由此開(kāi)啟了一段段充滿(mǎn)挑戰(zhàn)與驚喜的科學(xué)征程。

宇宙中存在著四種基本相互作用，分別是強(qiáng)相互作用、弱相互作用、引力相互作用和電磁相互作用 ，它們?cè)谖镔|(zhì)的構(gòu)成和質(zhì)量的形成中扮演著關(guān)鍵角色。

其中，強(qiáng)相互作用與質(zhì)量的關(guān)系極為密切，它是四種基本相互作用中最強(qiáng)的一種，作用范圍卻非常短，大約在 10?1?米的范圍內(nèi) 。在原子核中，質(zhì)子都帶有正電荷，根據(jù)電磁學(xué)原理，同種電荷相互排斥，質(zhì)子之間存在著強(qiáng)大的靜電斥力，這種斥力會(huì)使質(zhì)子彼此分離。然而，強(qiáng)相互作用卻能克服這種靜電斥力，將質(zhì)子和中子緊緊地束縛在一起，形成穩(wěn)定的原子核。

從微觀(guān)層面來(lái)看，質(zhì)子和中子由夸克組成，夸克之間通過(guò)交換膠子來(lái)傳遞強(qiáng)相互作用 。

以質(zhì)子為例，它由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，這些夸克被強(qiáng)相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)大能量緊緊束縛。科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，三個(gè)夸克的本征質(zhì)量加起來(lái)僅約 9.4MeV/c2 ，而質(zhì)子的實(shí)際質(zhì)量約為 938.3MeV/c2 ，這意味著質(zhì)子 99% 的質(zhì)量并非來(lái)自夸克本身的質(zhì)量，而是來(lái)自強(qiáng)相互作用產(chǎn)生的能量。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程 E=mc2，能量與質(zhì)量是等價(jià)的，強(qiáng)相互作用產(chǎn)生的巨大能量可以轉(zhuǎn)化為等效的質(zhì)量 。

但是這里還有一個(gè)問(wèn)題，剩下1%的質(zhì)量，也就是夸克本身的質(zhì)量，來(lái)自哪里呢？

隨著對(duì)微觀(guān)世界的深入探索，規(guī)范場(chǎng)理論應(yīng)運(yùn)而生。規(guī)范場(chǎng)理論旨在描述基本粒子之間的相互作用，為統(tǒng)一描述強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用提供了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)框架。

在這個(gè)理論的美妙架構(gòu)中，傳遞相互作用的粒子被稱(chēng)為規(guī)范玻色子 ，它們?cè)诹Ｗ又g傳遞著各種力，維系著微觀(guān)世界的秩序。

比如，光子作為傳遞電磁相互作用的規(guī)范玻色子，在真空中以恒定的光速傳播，它的無(wú)質(zhì)量特性使得電磁相互作用具有長(zhǎng)程性，讓電荷之間的相互作用能夠在遠(yuǎn)距離上發(fā)揮作用，像我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的靜電現(xiàn)象、電流傳輸?shù)龋茧x不開(kāi)光子傳遞的電磁相互作用。

而膠子則負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)相互作用，將夸克緊緊束縛在一起，形成穩(wěn)定的質(zhì)子和中子，它們同樣沒(méi)有質(zhì)量 ，但卻擁有強(qiáng)大的 “力量”，使得強(qiáng)相互作用在原子核尺度內(nèi)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

然而，規(guī)范場(chǎng)理論在解釋基本粒子質(zhì)量時(shí)卻遭遇了巨大的困境。

根據(jù)規(guī)范場(chǎng)理論的基本要求，規(guī)范玻色子應(yīng)該是無(wú)質(zhì)量的，以保證理論的規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。但令人困惑的是，實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)傳遞弱相互作用的 W 玻色子和 Z 玻色子具有質(zhì)量 ，而且質(zhì)量還相當(dāng)大，W 玻色子的質(zhì)量約為 80.4GeV/c2 ，Z 玻色子的質(zhì)量約為 91.2GeV/c2 。

這種理論與實(shí)驗(yàn)的矛盾，、成為了規(guī)范場(chǎng)理論發(fā)展道路上的巨大障礙。如果規(guī)范場(chǎng)理論無(wú)法解釋 W 玻色子和 Z 玻色子的質(zhì)量來(lái)源，那么整個(gè)理論的根基都將受到動(dòng)搖，這對(duì)于物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)是難以接受的。

于是，解決基本粒子的質(zhì)量起源問(wèn)題，成為了物理學(xué)界亟待攻克的難關(guān)，也促使科學(xué)家們不斷探索新的理論和機(jī)制，去揭開(kāi)質(zhì)量起源的神秘面紗。

為了解決規(guī)范場(chǎng)理論中基本粒子的質(zhì)量難題，科學(xué)家們展開(kāi)了深入的思考與探索。1964 年，比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦?恩格勒（Fran?ois Englert）和羅伯特?布繞特（Robert Brout） ，英國(guó)物理學(xué)家彼得?希格斯（Peter Higgs） ，以及美國(guó)物理學(xué)家杰拉德?古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾?哈庚（Carl Hagen）和湯姆?基博爾（Tom Kibble） ，這三組研究人員幾乎同時(shí)獨(dú)立地提出了一種巧妙的機(jī)制 —— 希格斯機(jī)制 ，為解釋基本粒子的質(zhì)量起源帶來(lái)了曙光。

希格斯機(jī)制的核心是引入了一個(gè)特殊的場(chǎng)，即希格斯場(chǎng) 。希格斯場(chǎng)被假設(shè)為一種彌漫于整個(gè)宇宙空間的量子場(chǎng)，就像一片無(wú)形的海洋，無(wú)處不在。當(dāng)基本粒子在這片 “海洋” 中穿梭時(shí)，會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用 。

這種相互作用就如同物體在黏稠的液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到阻力一樣，使得粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到阻礙，從而等效地獲得了質(zhì)量。不同的粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用強(qiáng)度各不相同，這就導(dǎo)致了它們所獲得的質(zhì)量也存在差異。

例如，電子與希格斯場(chǎng)的相互作用相對(duì)較弱，所以電子的質(zhì)量較小；而頂夸克與希格斯場(chǎng)的相互作用非常強(qiáng)，因此頂夸克的質(zhì)量較大，約為 173.1GeV/c2 ，是電子質(zhì)量的約 34 萬(wàn)倍 。

希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)產(chǎn)生了希格斯玻色子，它是希格斯機(jī)制的關(guān)鍵預(yù)言粒子 。希格斯玻色子就像是希格斯場(chǎng)中的 “漣漪”，是希格斯場(chǎng)能量的一種集中體現(xiàn)。然而，希格斯玻色子極不穩(wěn)定，在產(chǎn)生后會(huì)迅速衰變成其他粒子，這使得它的探測(cè)難度極大。科學(xué)家們深知，只有找到希格斯玻色子，才能為希格斯機(jī)制提供確鑿的證據(jù)，進(jìn)而驗(yàn)證整個(gè)理論的正確性。

于是，一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的尋找希格斯玻色子的科學(xué)征程就此拉開(kāi)帷幕。

2012 年 7 月 4 日，這是粒子物理學(xué)史上一個(gè)具有里程碑意義的日子。歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的 ATLAS 和 CMS 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，其性質(zhì)與希格斯玻色子高度吻合 。這一發(fā)現(xiàn)猶如一顆重磅炸彈，在科學(xué)界引起了巨大的轟動(dòng)。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它通過(guò)將質(zhì)子加速到接近光速并使其對(duì)撞，模擬宇宙大爆炸后的極端條件，從而創(chuàng)造出可能產(chǎn)生希格斯玻色子的環(huán)境。經(jīng)過(guò)多年的艱苦努力和海量的數(shù)據(jù)收集分析，科學(xué)家們終于捕捉到了希格斯玻色子的蹤跡，為長(zhǎng)達(dá)近半個(gè)世紀(jì)的希格斯玻色子尋找之旅畫(huà)上了圓滿(mǎn)的句號(hào)。

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，是人類(lèi)科學(xué)探索道路上的一座巍峨豐碑，具有不可估量的重大意義。它有力地證實(shí)了希格斯機(jī)制的正確性，為基本粒子的質(zhì)量起源提供了堅(jiān)實(shí)的理論解釋 。

這使得粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型更加完整，讓我們對(duì)微觀(guān)世界的基本組成和相互作用有了更深入、更全面的理解。它就像一把鑰匙，打開(kāi)了微觀(guān)世界的新大門(mén)，為后續(xù)的科學(xué)研究開(kāi)辟了廣闊的空間，激勵(lì)著科學(xué)家們繼續(xù)深入探索物質(zhì)的本質(zhì)和宇宙的奧秘。

希格斯機(jī)制的核心在于引入了希格斯場(chǎng) ，這是一種彌漫于整個(gè)宇宙的量子場(chǎng)，如同一片無(wú)形的 “海洋”。當(dāng)基本粒子在這片 “海洋” 中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就像物體在黏稠的糖漿中穿行一樣，會(huì)受到一種 “阻力”，這種 “阻力” 使得粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到阻礙，從而等效地獲得了質(zhì)量。

以電子和頂夸克為例，電子與希格斯場(chǎng)的相互作用相對(duì)較弱，它在希格斯場(chǎng)中受到的 “阻力” 較小，就如同在較稀的糖漿中輕松游動(dòng)，因此電子的質(zhì)量較小，約為 0.511MeV/c2 ；而頂夸克與希格斯場(chǎng)的相互作用非常強(qiáng)，受到的 “阻力” 極大，好似在濃稠的糖漿中艱難前行，所以頂夸克的質(zhì)量較大，約為 173.1GeV/c2 ，二者質(zhì)量相差懸殊，充分體現(xiàn)了不同粒子與希格斯場(chǎng)相互作用強(qiáng)度不同導(dǎo)致質(zhì)量的顯著差異 。

希格斯機(jī)制賦予電子質(zhì)量這一過(guò)程，對(duì)原子的穩(wěn)定和世界的形成有著不可替代的重要性。在原子中，電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)，如果電子沒(méi)有質(zhì)量，根據(jù)物理學(xué)原理，它將無(wú)法被原子核束縛，會(huì)以極高的速度逃離原子核 ，原子的結(jié)構(gòu)就無(wú)法穩(wěn)定存在。

而正是因?yàn)橄８袼箼C(jī)制賦予了電子質(zhì)量，電子具有了一定的慣性，能夠在原子核的靜電引力作用下，穩(wěn)定地在特定軌道上運(yùn)動(dòng)，從而形成了穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。眾多穩(wěn)定的原子通過(guò)不同的組合方式，構(gòu)成了世間萬(wàn)物，包括我們?nèi)祟?lèi)自身以及周?chē)囊磺形镔|(zhì)，才有了如今豐富多彩的世界 。

盡管我們?cè)诶斫馄胀ㄎ镔|(zhì)的質(zhì)量起源方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，如希格斯機(jī)制對(duì)基本粒子質(zhì)量的解釋?zhuān)约皬?qiáng)相互作用在質(zhì)子和中子質(zhì)量形成中的關(guān)鍵作用 ，但這僅僅是宇宙質(zhì)量拼圖中的一小部分。

目前的研究表明，宇宙中只有約 5% 是我們熟悉的普通物質(zhì)，而令人驚訝的是，約 70% 是暗能量，25% 是暗物質(zhì) 。對(duì)于這些占據(jù)宇宙大部分質(zhì)量的神秘成分，我們的了解幾乎為零，它們的質(zhì)量從何而來(lái)，由什么構(gòu)成，至今都是未解之謎。

暗物質(zhì)不發(fā)光、不與電磁波相互作用，我們只能通過(guò)它對(duì)可見(jiàn)物質(zhì)的引力作用間接探測(cè)到它的存在 。科學(xué)家們提出了各種理論和假設(shè)來(lái)解釋暗物質(zhì)的本質(zhì)，例如超對(duì)稱(chēng)理論中的中性微子，以及軸子等假想粒子，但這些都還只是停留在理論層面，尚未得到確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 。同樣，暗能量的本質(zhì)也是宇宙學(xué)中最大的謎團(tuán)之一，它被認(rèn)為是推動(dòng)宇宙加速膨脹的原因，但我們對(duì)其性質(zhì)和來(lái)源幾乎一無(wú)所知 。

對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的研究，是當(dāng)前物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域最前沿的課題之一 。世界各地的科學(xué)家們正在通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)和觀(guān)測(cè)手段，努力揭開(kāi)它們的神秘面紗。一些實(shí)驗(yàn)試圖直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)的相互作用，如大型地下氙實(shí)驗(yàn)（LUX） ；而另一些實(shí)驗(yàn)則通過(guò)觀(guān)測(cè)宇宙微波背景輻射、星系的分布和演化等，來(lái)間接研究暗物質(zhì)和暗能量對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的影響 。

人類(lèi)對(duì)質(zhì)量起源的探索遠(yuǎn)未結(jié)束，這是一場(chǎng)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)與驚喜的科學(xué)征程 。每一次新的發(fā)現(xiàn)都可能顛覆我們現(xiàn)有的認(rèn)知，為我們打開(kāi)一扇通往未知世界的大門(mén)。正如歷史上許多偉大的科學(xué)突破一樣，對(duì)質(zhì)量起源的深入研究，有望揭示宇宙中更深層次的物理規(guī)律，推動(dòng)物理學(xué)和宇宙學(xué)的發(fā)展，讓我們對(duì)宇宙的本質(zhì)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

或許在不久的將來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們能夠解開(kāi)暗物質(zhì)和暗能量的謎團(tuán)，真正理解宇宙中所有物質(zhì)的質(zhì)量起源，那將是人類(lèi)科學(xué)史上又一個(gè)偉大的里程碑 。