我上個月寫過一篇文章說到力的本質就是能量隨空間位置變化的劇烈程度。今天再來說一個和能量關係密切的概念，質量。
說到這兒你可能會想到一個人，就是愛因斯坦。
你會想到他的那個著名的公式，E = mc^2，能量等於質量乘以光速的平方。
這個公式說明，能量和質量可以相互轉化。就像雞能生蛋，蛋能生雞一樣。
那麼問題來了，到底是先有質量還是先有能量呢？我告訴你，這個問題單用相對論回答不了,只用量子力學也回答不了。
在這篇文章中，我會把相對論和量子力學結合起來，告訴大家一個答案，一定是先有能量，後有質量。
質量是物體慣性的大小
我們先說說質量到底是什麼。
質量這個概念每個人從小就懂，你給了1斤大米的錢，我肯定不能只給你稱5兩。
但咱們買菜時候說的，是“重量”，不是“質量”。在給物體稱重的時候，我們利用了它受到的萬有引力。
我的大學老師曾經說過量子力學討論不了引力，所以如果要講質量，就要先把引力的影響排除。
該怎麼排除呢？我們國家發射的天宮一號飛船，那裡面東西都是漂著的，也就是都處於失重的狀態，這就把引力排除出去了。
這時候我們就可以討論質量了。如果你在天宮一號裡推一瓶水，會覺得它很輕。但如果你在裡面抓一個裝滿書的大箱子，它肯定會帶著你一塊兒飄走。
你也許還記得中學學過的一個概念，叫慣性。
你可以理解為，這是物體不願意改變自己運動狀態的一種屬性，而且質量越大的東西，它就越不願意改變，慣性就越大。
你看，失重的時候，引力的效果等於零，但是物體的質量還是有差別的。
你可能已經聽出來我說的質量是什麼了，就是物體的慣性。用物理學行話說，這叫慣性質量。
圖：牛頓
在牛頓時代，物理學家就知道質量跟慣性是等價的。
只不過，當時他們以為，質量是恆定不變的。
到愛因斯坦時代，物理學家才開始意識到，質量和能量可以相互轉化，比如後來就有了原子彈。
質量是靜止的能量
但是能量分為兩種，一種是動能，是物體運動時得到的能量，你可以把它理解成是運動的能量；相對應的，還有一種是靜止的能量，叫勢能。
質量是從哪種能量轉化來呢？我們得先把動能排除在外。
為什麼呢？因為動能和物體的運動有關，那就跟物體的速度有關。可我們知道，物體的速度不是一個不變的概念，而是跟你選擇什麼參照系有關。
比方說，小鳥把飛機玻璃撞了一個裂縫。如果以飛行員為參照系，那就是小鳥的動能太大，把玻璃撞裂了。
但如果以地面為參照系，小鳥飛得再快也沒法跟飛機比，還是飛機的動能大，所以窗戶撞裂了得怨飛機自己。你看，動能到底是大是小，根本沒個準兒，要看你選擇了哪個參照系。
但咱們也知道，不管是以飛行員為參照系，還是以地面為參照系，鳥的質量都是不變的。慣性質量是物質的內在屬性，不隨參照系變化。
所以，我們說的可以轉化成質量的能量，是指不隨參照系變化的那種能量。不是動能，那隻能是勢能。
如果把這個知識和量子力學結合起來，你就會發現，質量的本質，就是一種勢能。
拿大家在健身房裡見過的那種拉力器舉例子。
拉力器中間的彈簧，會把兩個把手拉在一起。你要是用手把它使勁拉開，彈簧變長，彈簧的彈性勢能就增加了。
理論上說，拉力器的質量也就增加了。但是平時我們不這麼以為，因為增加的質量相對太小了，我們體會不到。
但是進入量子世界，情況就不一樣了。
物理學家發現，原子核中的質子，是由三個更小的粒子夸克組成的，質子的質量大概是938MeV。這個MeV其實就是量子力學中能量的單位，物理學家直接用能量來衡量質量了。
但奇怪的事情出現了，還有一個粒子也是由同樣的三個夸克組成的，叫作△+粒子。按理說，組成它們的夸克種類一樣、數量一樣，兩種粒子的質量就應該是一樣的吧？
結果物理學家一測，發現它的質量卻是1232MeV，比質子的938高出了一大截。這是怎麼回事？原來，△+粒子只是物理學家給它起的名字而已，它本質上就是勢能更高的質子。
它就相當於三個夸克本身都沒變，但三個夸克之間的彈簧拉得更開了，質量大幅度增加。物理學家一開始沒認出來，才給它起了另外一個名字。
後來物理學家還發現，其實好多所謂的“新粒子”，都是另外一些粒子的高能量狀態。它們的基本組成都是一樣的，只是質量不一樣。
這都說明，質量可以從勢能轉化而來。
質量蘊含的勢能源自基本相互作用
我們現在確定了質量和勢能之間的轉化關係，那到底先有誰呢？必須先有勢能，才有質量。
用一句話解釋的話就是，基本相互作用產生勢能，勢能轉化為質量。
我再來具體解釋一下。
在我們的世界中，存在四種基本的相互作用：強、電磁、弱和引力相互作用。
這些相互作用就像四種彈簧，都蘊含了勢能。所以，這四種基本相互作用都在不同程度上，為物質貢獻質量。
其中，貢獻最多的是強相互作用。它貢獻了你看到的物質的近99%的質量。是怎麼貢獻的呢？
2018年，當時在密歇根州立大學的物理學家楊一玻等人，利用計算機算出了其中的細節。
這些細節的名詞都很難懂，比如以下這些；
強相互作用從大到小的貢獻方式是：膠子能量，夸克能量，量子反常，夸克凝聚。
雖然不好懂，但不管怎麼說，這99%的質量我們已經知道是哪兒來的了。
剩下的其他三種基本相互作用力，雖然也蘊含了勢能、貢獻了質量，但它們貢獻得實在太少，甚至很多科普書在說到質量的時候，都不會提到它們。
那還剩1%的質量從哪兒來呢？
這1%也是由一種相互作用產生的勢能貢獻的，因為這種相互作用平時唯一的表現，就是給基本粒子提供質量，所以物理學家給它起了一個特殊的名字，叫希格斯機制。
希格斯就是2013年獲得諾貝爾物理學獎的那個老大爺。
希格斯機制怎麼給粒子賦予質量呢？就好比汽車掉到水裡，你會發現車門重得根本推不動，就好像水給車門賦予了特別多的質量一樣。
在給粒子賦予質量的時候，希格斯機制的作用就像水的作用一樣。它充滿了整個空間，但是又是透明的，看不見摸不著。
我們在其中就會感覺到，原來很輕很輕的東西，都變得沉甸甸的，很難搬動了，就變得像是有質量了。
總之，如果按照貢獻質量多少來排隊，那麼強相互作用第一，希格斯機制第二。但如果從底層到高層來排隊，那麼希格斯機制完勝。
因為希格斯機制是給基本粒子賦予質量的，而強相互作用是給更復雜的粒子賦予質量的。
寫到這兒，如果大家知道的科學知識比較多，你肯定知道，光子沒有質量，這是為什麼？為什麼希格斯機制對光子沒有效果呢？
其實，就是希格斯機制讓光子沒質量的。我簡單說明一下，希格斯機制是有方向的。在這個方向上的粒子，受到它的作用，就獲得了質量。
不在這個方向上的粒子，不受它的作用，就沒有質量。光子剛好不在這個方向上，所以它沒有質量。
當然，我以上寫的這些其實才解釋了宇宙5%的物質。除了我們已知的這些物質之外，還有佔宇宙26%的暗物質，我們是不知道質量來源的。
剩下佔宇宙69%的暗能量，不管它有沒有質量，我們同樣沒有搞清楚它的能量來源。
其實就連在我們已知的5%的物質中，我們也沒有全搞清楚。比如，中微子的質量是怎麼來的，我們就不知道。
科學就是這樣，永遠承認自己知道多少，不知道多少。我們從來不宣稱科學能解釋一切。但科學能解釋的現象，一定會越來越多。
以前總有人說，人死了以後，質量就會瞬間變小21克，所以靈魂的重量就是21克。
但如果你理解了質量的本質是什麼，你就知道質量是從能量轉化的，而這種說法則存在很多漏洞。
大家能想到那些漏洞？歡迎在下方評論區留言和大家分享你的答案。
閱讀更多 一個va 的文章
