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思维留声机
脑洞实验室
这里是科学星球
我们中国有句老话
叫色即是空
这里面的色说的是物体
也就是实实在在的物质
而空代表什么都没有
这句话表面的意思就是看上去实实在在的物体
实际上什么都没有
可能你会觉得这是一句充满禅意的表达一个哲理的话
而实际上
现代物理学越往深处研究
就越发现
现实的世界很可能是这个样子的
现在的很多物理学家也会告诉你
大部分的物质都是空的
包括石头
大树和你我在内的人类
很多人都知道
构成这些东西的原子
大部分的质量都集中在微小的原子核里
而在原子核和电子之间
大部分的空间都是空的
在一个原子里
原子核的质量占了百分之九十九以上
但是它在原子里所占的空间
就好像一只蚂蚁爬在一个足球场里面所占的空间一样
你先别着急问为什么这么小的物质能占据这么大的质量
如果我们更深一步的去追问
质量它到底是什么
这个问题细究下去
你会得出更惊人的答案
我们生活在地球上
每个人都能感觉到质量的存在
对于普通人来说
质量就直接关系到我们受到地球的引力
它表现出来的结果呢
就是一个物体的重量
如果我们缺乏锻炼
经常熬夜
体重就会增加
用严格一点的表述来说呢
就是我们的质量增加了
当你自己作为一个物体质量增加的时候
你肯定会去分析是你的身体多了哪些部分
一般来说
我们增加的部分就是脂肪
细想一下
你增加了多少的脂肪
作为你的一个整体
就增加了多少质量
这是非常符合直观的吧
但是说到这儿
我们还要再强调一次
越是符合直观的东西
越很可能违背最基本的物理定律
让我们重新来审视一下这个问题
一个有质量的东西
它的质量是不是等于各部分之和呢
如果你把一个西瓜切成两半
那么原来这个西瓜的总质量就应该等于被切开的这两块西瓜质量的组和
如果你把它切成四块
它的质量就是四块质量的组和
我们这么推算下去
如果你把它切成n块
你就可以把这n块的质量相加
算出它的总质量
这没有问题吧
在大多数情况下
这个是对的
但如果你把一块西瓜切的足够小
比如我们让n大于十的二三次方
一旦超过了这个数
情况就不一样了
我先告诉你原因
原来这块西瓜的总质量
不仅仅包括它各个部分的质量
还包括使这些部分维持在一起的能量
我想你八成从来没有听说过这个道理
让我们先来说一下在物理学上质量的严格定义
质量呢
它是抵抗物体速度发生改变的一个性质
如果你去推一个东西
它就会加速
如果你用同样的力气去推另一个东西
另一个东西加速起来比较困难
那我们就说
第二个东西的质量比第一个东西的质量要大
你可以想象一下
即便是在很光滑的一个冰面上
你去推一个空的小车
和去推一个坐了人的小车
所花的力气也是不一样的
我们说
一个坐了人的小车比一个空的小车质量要大
但是啊
质量大并不是一个东西更难推动的根本原因
我们的理解应该是反过来的
就是只要一个东西更难推动
我们就定义它的质量更大
我们把这个表象把它定义为质量
在这里
我们定义的质量叫做惯性质量
这是因为物体对于加速度的抵抗
通常被称为惯性
让我们再回到切西瓜这件事儿上
当我们把西瓜切的非常非常小
切到原子级别的时候
原本束缚西瓜原子的结合能被打破了
那么被切成小碎块的西瓜
它的总质量就会减少
实际上
当你把一个西瓜切成两半的时候
它的质量就已经变少了
只不过它减少的量实在是太微小了
所以你注意不到它
但是如果你把一个西瓜切到了原子的级别
然后你去测量每一个原子的质量
然后把这些质量相加
最后和原来西瓜的总质量去做对比
你就会发现
这里面质量变少了
这个不是人们计算的结果啊
而是在实验室里实实在在观测到的现象
当然
我们举的这个例子
质量的损失还是比较小的
因为一个西瓜
它总体的质量并不大
在这个实验里面
如果我们把西瓜切成原子
再把原子切成质子
中子和电子
这个过程中我们会损失多少质量呢
大概会损失百分之零点零零一
但是如果我们一开始切的对象就是很小的例子
那情况就完全不一样了
比如你把一个质子分割成夸克
就是在上一期节目里我们说的上夸克和下夸克
在这个过程中
你会看到巨大的质量差
这个质量的差如此巨大
以至于你会发现
质子和中子大部分的质量都来自于束缚夸克的结合能
切割后夸克的质量和原来质子的质量
它的比例大概是多少呢
是百分之一左右
其余的百分之九十九都来自于使夸克聚集在一起的能量
换句话说啊
储存在粒子之间这些结合键中的能量
比物体各部分的质量的总和要大的多得多
要大两个数量级这么多
这可完全不符合人们的直觉啊
你想
你拿起三个乒乓球
然后分别测量它们的质量
这三个乒乓球质量一共是多少
然后你就可以直接计算出三个乒乓球总共的质量
这很简单
对吧 可是
如果你把这三个乒乓乓球放到一个能量非常大的炉子里
然后用非常大的能量把这三个乒乓球挤压在一起
变成一个新的小球
你就会突然发现
这个新的小球
它的质量比原来三个乒乓球加起来要大很多很多
这里的原因就在于
新的小球质量不仅来自于原来乒乓球的质量
还来自于把它们束缚在一起的能量
你仔细想一下
如果你重一百五十斤
你身体里面真正有质量的那部分也就只有一点五斤
剩下绝大部分的重量都是把这些小颗粒聚集在一起的能量
这么想一下
你会不会觉得特别的奇妙啊
那么
科学家到底知不知道
为什么我们的质量大多数来自于这些能量呢
说实话
不知道
科学家们真的不知道这种能量为什么会影响物体对力的反应
你推一个物体的时候
只会直接感受到它物质的重量
而不会感受到它里面的能量
尽管就是质量最大的谜量
尽管我们可以测量一物体的质量
但我们真的不知道惯性是什么
也不知道它和质量
能量之间为什么有这种奇特的联系
这个就像我们知道光速是这个宇宙的极限
但我们不知道为什么要有这种极限
是谁设置的这个门槛
好 说到这儿
你的大脑可能已经受到一轮暴击了
让我们再让暴击来的更猛烈一些
前面我们说
质子和中子可以分解成上夸克
下夸克
但是啊
你要知道
这个夸克
它可不是什么具体体的东西
实际上根本就没有所谓东西这样的东西
到了夸克这个级别
实体的东西在物理概念里都压根是不存在的
在我们目前的理论里
粒子啊
实际上是空间中不可分割的一个点
在理论上
它们处在三维空间一个无限小的位置上
它的体积是零
也就是它没有大小
你想
没有大小意味着什么呢
我们每一个人都是由粒子构成的
但是每一个粒子所占的空间又是零
这可不意味着物体的大部分是空的
而是说
物体的整个就是空的
你再转动一下脑筋
我们说物理学中没有东西
这个定义是什么意思
你想
一个东西
它有质量
有体积
质量除以体积
就是它的密度
对吧
那现在如果你问
一个电子
它的密度是多少呢
这个问题就没法回答了
为什么呢
一个电子
它是有质量的
但是它的体积又是零
嗯
我们用质量除以体积
上小学的时候你就知道
零是不能作为分母的
也就是说
一个电子的密度
它是没有定义的
我们再来看一看夸克
上一期的节目
我们给你列了一张夸克的表
在这张表格的第一行第一列和第三列
分别是上夸克和顶夸克
这两个夸克啊
他们带的电荷相同
自旋的情况也相同
他们所受到的基本力也相同
它们只有一个物理量不相同
就是质量
它们的质量差了多少呢
顶夸克的质量是上夸克的七万五千倍
如果你作为一个常规的物质去理解它
那你就会想
那肯定是顶夸克的密度大嘛
但是在物理学的定义里
他们所占有的空间都是零
那这就怪了
为什么他们中有一个质量那么大
而另外一个却不包含更多的物质呢
这个问题之所以看起来这么挠头
这是因为例子不是像我们日常生活中理解的任何东西
当你用看待日常物体的目光去看待基本粒子的时候
就会出现这样的悖论
我们很容易把粒子想象成一个微小的小球
它有一定的体积
也有一定的质量
甚至啊
搞不好还有一定的颜色
但其实真实的粒子并不是这样的
我们甚至不知道真实的粒子它到底是什么样子的
因为你要知道一个物体是什么样子的
你总得看到它吧
但是
当我们把一个粒子拆分成非常小的颗粒的时候
它的直径比光的波长还要小很多很多很多倍
我们根本就没法通过发射一道光来看到它
那么
如果你非要问一个基本粒子
它到底是一个什么样子呢
这个问题不仅物理学家没法回答
甚至也是没有意义的
在量子力学里面
它些微小的粒子啊
是在一个怪诞的场里面的一个小波动
这个波动是弥漫在整个宇宙里的
这就意味着小球模型根本就解释不了它们遵循的规律
比如一个粒子所处的位置
它是遵循概率的
你可以有百分之九十九的概率在你的房间里找到这个粒子
也有非常低的概率
比如百分之零点零零零零零零零一这样小的概率
你可以在宇宙的尽头发现它
我们这里说的发现
可是在同一个时间里啊
再比如
一个微小的粒子可以有一定的概率穿过任何物体
比如你家里的墙壁和门
出现在你屋子的外面
而不需要借助任何的外力
微小粒子的行为实在是太奇怪了
在现代物理学的研究里啊
粒子的模型早已经失效了
比如说一个光子
它是没有质量的
所以它才可以达到光速
但是一个光子
它既没有体积
也没有质量
它又怎么可能是一个东西呢
如果你在脑子里就要求一个东西
它必须有物质
也就是必须有质量
那你必然会得出一个结论
没有质量的例子是不存在的
但是啊
让我们把脑洞打开一点
如果说质量不是物体内在的一个属性
而是我们给它贴上的一个标签呢
再强调一遍
这个观点的转变非常重要
如果说一个质量不是一个物体内在的一个属性
而是我们人类人为的给它贴上的一个标签呢
你可能会觉得这么去想象质量非常的困难
但其实在其他的领域
我们早已经这样做了
比如当我们在讨论一个例子所携带的电荷的时候
我们就是在这样做的
我们知道电子有负电荷
质子呢
有正电荷
那么这个电荷它到底是什么呢
它到底在电子和质子里面的什么位置呢
这个电荷是被携带在电子的表面
还是它的内部
是什么东西把电荷给了电子呢
既然电子的体积已经是零了
它有那么多的空间来容纳这个电荷吗
实际上并没有人去问这些问题
因为电荷并不是电子所携带的真实的东西
它只是我们观察电子的时候发现的一个现象
因后我们把这个现贴上了一个数学的标签儿
这就好比你看到一个香蕉是黄色的
你不会说这个香蕉携带了某种黄色的物体
而是我们先观测到了香蕉的颜色
然后给这个颜色贴上了一个标签而已
如果你用同样的方式来思考质量就说得通了
如果说电荷意味着一个粒子可以受到电场的影响
那么质量就意味着一个粒子它可以受到重力场的影响
一个物体的电荷数就决定了它在同样的电磁场里面会受到多强的作用力
与此类似的
一个粒子的质量就给了它自身一个惯性
也就是在重力场里面阻抗运动的一个特性
刚才我们说顶夸克比上夸克质量大很多很多
这并不意味着顶夸克含有更多质量的物质
而是说顶夸克在整个重力场中比上夸克更加难以移动
它的惯性更大
这只是一个标签而已
说到这里面
我们就要说到一种新的东西了
它的名字很酷
叫西格斯波色子
在说这个西格斯波色子之前
我们还要说一下传递利益的粒子
在上一小节
我们说物质被分为十二种基本粒子
他们都是属于物质这个范畴的
但是我们的宇宙里面
除了实实在在的物质
还存在四种基本的力
复习一下
这四种基本的力就是引力
电磁力
强合力和弱合力
那这四种基本的力是通过什么东西传递的呢
科学家们发现啊
传递力也是需要粒子的
打个比方
比如一个上夸克在和一个下夸克再互相扔篮球
上夸克扔出了一个篮球
就会把下夸克往外推一点
在这个过程里面
上夸克和下夸并没有直接接触到对方
他们是通过扔篮球来传递彼此的作用力的
当然啊
这还是说我们用宏观世界的比喻来打比方
真实的世界可并不是严格这样的
那么传递力的粒子都是什么呢
人们发现
传递电磁力的粒子就是光子
传递强合力的粒子呢
叫做焦子
传递弱合力的粒子呢
叫波色子
它又分w波色子和z波色子
人们一直没有找到传递引力的粒子
就是啊
人类就是特别擅长列表格嘛
他们列出了一个表格
发现这个位置差一个例子
于是大家就去拼命的找他
所以
当西格斯波瑟子发现的时候
纽约时报就称
这是科学进程可以提供给现代文明的最好例证
人类用科学理论列出了一张表格
当我们还根本没有发现一个例子存在的时候
就预言了它的存在
这也证实了
寻找规律的过程可以引导人们理解宇宙
那么寻找西格斯波瑟子的过程
我们就不相信说这个过程非常的曲折
简单来说
这个想法来自于对传递利益的粒子
比如说刚才我们说的光子
玻色子等等对这些粒子的规律研究发现
他们有的东西没有质量
比如光子
而有的东西呢
质量却非常大
比如玻色子
那他们都是用来传递粒的
为什么有的没有质量
有的质量却很大呢
一位叫彼得
西格斯的科学家和其他几位物理学家研究了好长一段时间
终于啊
在数学上找到了一个自圆其说的办法
也就是纯粹用数学的方式
加一些参数进去
他们给方程里面添加了一个粒子
也就是西格斯波瑟子
又添加了一个立场
这个立场呢
有点类似于电磁场
人们就把这个场命名为西格斯场
然后呢
他们把质量当做粒子的标签
这个标签定义了有的粒子的质量比其他粒子的大
但是
再强调一次啊
这只是人们在数学上的定义
这并不意味着人们发现了某些粒子比另外一些粒子多了些东西
我们尽量用你能听得懂的话来解释一下这个西格斯场
它假设啊
有一个弥漫在整个宇宙的立场
这个立场呢
它的作用不吸引或者排斥任何东西
它唯一的作用就是使粒子更难加速或者更难减速
这个立场所表现出来的效果就是物质的惯性质量
那么
一个粒子与这个立场相互的作用越多
它表现出来的惯性也就越大
一个粒子和西格斯场相互作用产生的惯性
也就这个粒子的质量
有些粒子和这个场的作用比较强
这就意味着它们要费很大的力气才能加速
那这些粒子的质量就比较大
也有一些粒子呢
几乎不受到这个场的影响
所以它能轻松的加速这些物体
表现出来的就是几乎没有质量
西格斯厂这个理论也是挺鸡贼的
当我们问
为什么不同的粒子会有不同的质量呢
那西格斯理论给出的解答就是因为西格斯厂对它们的影响不一样吗
那你如果是询问一下
为什么西格磁场对不同粒子的影响不一样呢
哎 他就说了
这个是不同粒子自带的一个性质
这个其实有点像把一个问题转换为另一个问题了
我们还是没有得到最根本的答案
这个理论并没有告诉我们
物质粒子的质量遵循一个什么样的规律
为什么不同粒子它的质量不一样
这就好像每种粒子
它的质量是随机贴上去的一个标签
即便它们的质量都变了
整个理论框架也不会出现问题
当然
如果某些粒子真的变得更重了或者更轻了
那我们的宇宙肯定就不是现在这个样子了
但是
如果我们仅就西格斯理论本身来说
物质粒子的质量就是随意设定的一个参数
想取什么值就取什么值
你还记得上一小节我们说的那张表格吗
当一些粒子呈现某一种规律的时候
它很可能是由更基本的粒子构成的
也许未来的科学家能够发现更基本的粒子和更基本的规律
是这些规律让我们的夸克呈现出不同的质量
只不过目前这些规律我们没有发现而已
打个比方
一个人可能不理解
为什么一瓶饮料是苹果味的
而另外一瓶饮料是桃子味的
但是另外一个对饮料的配比非常了解的人就会知道
这只是因为不同饮料里添加了不同的香料而已
那么说完了惯性质量
我们再来说一说引力质量
测质量有两种方法
第一种就是测量它的惯性
也就是我们去推它
看一个物体是不是容易被加速
还有一种更简单的方法
就是我们直接用秤来测量它的重量
这个在本质上啊
是测量地球对一个物体的吸引力的大小
一个东西的质量越大
地球对它的吸引力就越强
让我们再回看一个粒子的情况
你可以把引力想象成电荷
当两个粒子有电荷的时候
它们就能相互吸引
这个电荷数量越大
它们相互吸引的作用力就越强
同样呢
当两个粒子有质量的时候
它们相互之间的引力呢
就和质量成正比
那我们说
引力质量和惯性质量
它到底是不是一回事呢
从本质上讲
它们可真的不是一回事
在我们的理论和想象力
惯性质量是西格斯场对一个粒子的影响
它说明的是一个粒子在西格斯场这一锅大胶水里面
和这些胶水发生作用力的强或者弱
当一个粒子被这个胶水粘住的时候
它就更难加速
当一个粒子很光滑
不怎么被这个胶水粘住的时候
它的惯性质量就低
那么引力质量和惯性质量可是不一样
因为我们在这个理论里面引入的场都是不一样的
在这里
我们引入的是一个引力场的概念
在这个场里面
一个粒子的质量大小
是它受到另外一个物体吸引力的强弱的一个表现
在这个表面
你可以想象由由地这么大质量的物体形成了一个引力场
一个例子
受到地球的引力越强
那我们就说它的引力质量越大
但是啊
科学就是这么的奇怪
当我们利用这两种方式去测量质量的时候
就会发现
一个物体的惯性质量和它的引力质量精确的吻合到一起
一丝一毫都不差
尽管他们来自于完全两种不同的理论和假设
你仔细想想
这非常的离奇
这两个量虽然都叫质量
但其实它是一个例子
完全不同的两个参数
惯性质量是物体对运动的一个抵抗作用
而引力质量是物体被引力移动的一个倾向
这种精确的吻合可以通过在月球上扔小球来得到验证
月球上没有空气
你举起一个很轻的小塑料球
再举起一个很重的大铁球
一撒手
就会发现
这两个小球是同时落地的
为什么会同时落地呢
因为大铁球的引力质量更大
它受到月球的引力也更大
但是呢
因为这个大铁球惯性质量也更大
所以它抵抗加速的能力也更强
反过来说
小塑料球
它很容易被加速
但是呢
因为它的引力质量很小
它受到的加速力也很小
这两种质量加速和减速的效应精确的完美抵消了
所以一个小塑料球和一个大铁球才能在月球上同时相地
说到这儿
你可能就想问
为什么惯性质量精确的就等于引力质量呢
不好意思
我们目前所掌握的物理知识还不能解释这个现象
我们只能假设这两种质量完全相递
爱因斯坦正是先假设了光速不变
然后推演出整个狭义相对论
然后假设惯性质量和引力质量完全等效
又推演出广义相对论
那如果你去问爱因斯坦
你为什么有这两个假设呢
爱因斯坦只能回答你
没有为什么
我就是这样相信他
在不破坏物理定律的前提下
这两个质量能不能不一样呢
在理论上
他们应该是可以不一样的
但是在现实世界里
他们就是一样的
这也难怪有这么一句话
我们这个宇宙
它存在本身就是一个最大的谜团
因为啊
里面有太多的巧合了
最后来给你总结一下
质量有这么几个奇怪的地方
第一
物体的质量不仅仅包括它各个部分的质量
还包括把这些部分束缚在一起的能量
但是我们不知道这是为什么
第二
质量实际上就像是一个标签儿
在西格斯理论里面
它就和一个物体的电荷是很像的
有些物体
它质量的这个标签很大
它在西格斯场里面更难运动
而另外一些物体
这个标签的数字很小
它在西格斯场里面就很容易运动
但是我们也不知道这是为什么
第三
我们测量引力质量和惯性质量
会精确的得到同样的数值
没错
我们还是不知道为什么
这个也是科学最迷人的地方
也是为什那么千百年来
科学家们从来没有停止探索的脚步
因为你越往深层去研究
就会发现越多的问题
人们在探究这些问题的过程中
会经常得到一些意外的答案
也许有一天
质量的谜团被我们破解的时候
我们会意外的发现其他更了不起的理论呢
好了
这一小节
关于质量
我们就说这么多
在讲述的过程中
我们提到了引力质量和惯性质量
那么引力其实也是一个充满谜团的东西
下一期节目
我们就来聊一聊引力的谜
科学星球
我们下期再见