物质的质量从哪里来

大型强子对撞机粒子碰撞事例重建图像

对于喜欢刨根问底的读者来说，“从哪里来”总是个好问题。比如说，质量是最直观的物理概念之一，用于衡量物体含有物质的多少。那么，物质的质量是从哪里来的呢？

我们生活中常见的各种物质由分子和原子组成。这些物质的质量绝大部分是从这些分子和原子中来的。而分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成。这样，物质的质量主要来自质子、中子与电子的质量。

读者大概不会满足于上面的答案。因为我们只是转移了问题而已。质子、中子和电子的质量又是从哪里来的呢？

我们从质子和中子说起。质子和中子都是由三个夸克组成的。那么，它们的质量是不是等于这些夸克的质量总和呢？这次，答案是否定的。组成质子和中子的夸克质量非常小。质子和中子的质量主要来自夸克之间的相互作用能量。

英国理论物理学家希格斯

至于电子，至今我们还没有发现它具有内部结构。那么，电子的质量，是不是电子“本来”就具有的呢？也不是。由于受到物理理论“对称性”的限制，电子本来是不能有质量的。不过，有一种叫“希格斯场”的物质像电磁场一样弥漫在空间之中，自发地破坏了这种对称性。受到与希格斯场相互作用力的连累，电子不再可以像光一样迅速地移动。于是，电子就获得了质量。

这种与希格斯场相互作用的机制，不仅使电子获得了质量，而且是包括夸克的“净重”在内的多种基本粒子的质量起源。比如说，作为四大基本相互作用力之一，弱力的力程很短，只能在比原子核半径还小的范围内起作用。其原因就是传播弱力的粒子由于希格斯场机制获得了质量。于是，在希格斯场的海洋里，弱力就不能像电磁力一样在很大的范围内传播了。

质能关系转换以及希格斯场机制，是质量的两大来源。2012年，大型强子对撞机实验发现了希格斯粒子，并于2013年得到了证实。这个发现有力地支持了基本粒子通过希格斯场获得质量的机制。（王一）

大型强子对撞机内部结构