質量的起源是一個非常深刻的問題。任何從事物理學研究的人都會有極大的興趣來思考這個問題。我在這裡總結一下目前物理學家對質量起源的理解。

首先質量是什麼？物理學中有一個觀點是，定義一個物理量的最好的方法是給出測量它的方法。

按照這個觀點，牛頓第二定律實際上給了一個質量的定義：物體受到的力和產生的加速度成正比，質量就是其中的比例係數。

而在牛頓的引力公式中，質量是兩個物體相互吸引的力和物體之間距離平方的倒數之間的比例係數。

這兩個測量方法給出了質量的兩種定義，分別被大家稱為

慣性質量和引力質量

。

天才的愛因斯坦同學深刻地提出了一個稱為「等效原理」的觀點，簡單地理解就是，引力質量和慣性質量是等價的（或者專業地說，引力可以局域地等效為物體處在非慣性參考系中）。

這個深刻的洞察最終發展出愛因斯坦的引力方程。這些方程給出了引力的幾何影象，用數學語言描述了質量是如何彎曲周圍的時間和空間的。愛因斯坦的理論在1919年對光線在太陽附近被彎曲的實驗觀測中被證實。

講到這裡，我們只知道質量會產生哪些物理效應，比如慣性，以及對時空會有彎曲作用。我們對為什麼會有質量還是一無所知。

下面講一下2012年物理學界發生的一個轟動級事件，這是我們粒子物理學界這麼多年最大的一個新聞，徹底改變了人類對質量的認識：這個事件就是「希格斯」粒子的發現。

質量是從哪裡來的？

先說一下背景。理論物理學家對基本粒子的質量問題的研究很早就開始了。真正開始困擾物理學家的是1983年發現的W和Z玻色子，這些粒子作為規範粒子，不應該帶質量的。但是實驗發現，它們不僅有質量，而且還很重！

規範粒子不應該有質量的。如果作為粒子物理學中的基本理論「規範理論」存在問題，所有相應的物理理論都要推翻重來了！

還好，聰明的理論學家在W和Z粒子發現的幾十年之前就提出過一個機制，叫作希格斯機制，這個機制可以給規範粒子賦予質量，同時也可以給如夸克之類的物質粒子賦予質量。W和Z玻色子的質量就可以用希格斯機制來解釋。

不過，希格斯機制雖然很巧妙，但是這個理論卻一直被科學家們質疑。

這是為啥呢？

主要因為這個理論中要求存在一個新的粒子，叫作希格斯粒子，正是這個希格斯粒子給其他粒子賦予的質量。可是這個希格斯粒子在實驗中一直沒發現。

物理學理論的發展是這樣的：一切都以實驗為基礎，你的理論再完美，再漂亮，能夠解釋無數已有的實驗，但是，物理學家仍然不會完全相信你的理論。你的理論必須做出一些預言，然後實驗學家透過實驗來證實或者否定你的預言。只有不斷被實驗證實的理論才會留存下來。

希格斯機制很完美，但是理論中的最重要粒子卻沒有發現，這是讓所有物理學家都頭疼的地方。

2012年是粒子物理學非常重要的一年，這一年不是世界末日，相反，這一年粒子物理地圖中心最重要的那塊寶石被找到了：希格斯粒子在實驗室被發現，希格斯機制被實驗證實。這是理論物理的一大勝利。

那麼，希格斯機制怎麼給物質賦予質量的呢？

簡單地說，用最基本的物理原理構造出來的物理理論中，所有粒子都是無質量的。我們透過引入希格斯粒子和這些無質量的粒子相互作用，相當於粒子的運動受到牽制，就像泳池中的水會阻礙水中物體的運動，等效地看，就是那些粒子獲得了質量。

好了，現在希格斯機制已經告訴了我們基本粒子為什麼有質量了，那麼，是不是我們周圍的物質，還有我們自己都是因為希格斯機制才有質量的呢？

其實並不是。我們身體的質量都來自原子的質量，原子的質量絕大部分都來自原子核中的質子和中子。希格斯機制確實賦予了夸克等物質質量，但是由夸克組成的質子中子的質量是遠遠大於組成它們的夸克質量的。那麼質子中子的質量是哪裡來的呢？

其實多出來的質量來自強相互作用（能量）。質子中子的質量絕大部分都來自其中夸克和膠子的強相互作用（能量）。甚至可以說，夸克的質量對質子中子的質量貢獻幾乎忽略不計。所以，即使認為夸克質量為零，由於強相互作用的存在，由夸克膠子組成的質子中子仍然是有質量的。

儘管如此，希格斯機制仍然非常重要。它賦予了電子質量，正是因為電子有質量，由電子和原子核組成的原子才能穩定存在，才會形成我們現在的世界。

上面都是對非物理專業的科普。

那麼，我們現在是不是已經知道宇宙中物質的質量起源了呢？

並不是，還差得遠！

為什麼這麼說？因為宇宙中只有5%左右是我們熟悉的普通物質，上面的理論都解釋的是普通物質的質量。還有70%的暗能量，25%的暗物質我們是完全不瞭解的。我們不知道它們的質量是哪裡來的，它們由什麼組成的。所以，人類對質量起源的探索還在繼續。