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宇宙到底有多重?太阳重2000亿亿亿吨,宇宙是它的1000万亿亿倍

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有人买了一个体重秤,每天早晨都会站上去,希望自己能变轻一点。然而一个月过去,体重反而增加了一公斤。

像这种管不住嘴又不爱运动的人,怎么才能把体重减下去呢?同事告诉他,很简单,把体重秤搬到月球上去,体重立马减掉八成。

这话不是没有道理,这么做的确能减少他的重量,但一个大活人不会少一两肥肉,质量还是没变。此刻他陷入了如何减肥之外的另一个宇宙终极问题:什么是质量?质量究竟来自哪里?


翻开中学物理课本,可以看到这样的解释:质量是物体惯性的大小。通俗地说,质量越大的物体,要让它动起来就越困难,即便是在一个没有摩擦力的世界里。

而体重秤测量的是重量,并非质量。牛顿认为,重量不过是物体受到了地球引力,质量越大的物体受到的引力也越大,但两者绝不是一回事。

假如在月球上摆放一个巨大的天平,可以测出一个人的质量,那么这个数值会和在地球上一样。这也很好理解:无论身在何处,身体里包含的物质数量没有变,原子分子没有变,质量也不应该改变。

然而牛顿只说了质量是什么,却不能解释质量来自哪里。物体为什么会有惯性?牛顿解释不了,中学课本上也只说了一句:惯性是物体的固有属性。


既然如此,就得打破砂锅问到底:质量到底源自哪里?既然宏观角度无法给出答案,就只能从微观世界里去寻找。

人是由原子组成的,原子又可以分成电子、质子、中子,显然人的质量来自这三种基本粒子。对于这些粒子的组成和性质,上世纪五十年代的标准模型已经给出了比较完美的答案。

很不巧的是,最初标准模型无法解释质量的来源,甚至还给出了一个错得离谱的答案:所有物质的静止质量都是零,这里有必要解释一下静止质量。


牛顿认为,物体的质量不会因为运动快慢而变化,但爱因斯坦的相对论认为,运动越快的物体质量越大。当静止质量不等于零的物体接近光速时,质量将接近无穷大。

物体静止质量等于零意味着什么呢?意味着随便推一把,这个物体就可以加速到光速。

这显然不是我们这个世界该有的物理学,所以肯定还有尚未被发现的东西。1964年,英国物理学家希格斯提出了一种新的理论,他认为整个宇宙都充满了一种希格斯场。通俗来说,希格斯场就像一锅粘稠的浓汤,拖慢了物质运动的速度,让物体加速变得困难。


质量就是惯性,惯性就是让物体动起来的难易程度,所以希格斯场赋予了物体静止质量。那么这个希格斯场存在的证据在哪里呢?

希格斯场这锅浓汤掀起波澜,就会产生希格斯粒子。到2012年,科学家们终于在对撞机里发现了这种粒子,希格斯也因此拿到了2013年的诺贝尔奖。

希格斯的理论成为了标准模型的最后一块拼图,物质最基础的质料,原来来自希格斯机制。但一个人的质量问题并没有就此彻底解决。


对于电子这样的粒子来说,说它的质量来自希格斯机制没啥毛病,可电子在人体质量中占的比例太低了。一个七十多公斤重的人,全身的电子加起来不过一二十克,还没有早上吃的一个鸡蛋重。

人的质量必然主要来自比电子重得多的质子和中子。每个小学生应该都知道,质子其实是由三个夸克组成的:两个上夸克和一个下夸克。

上夸克的静止质量约为2.4兆电子伏,下夸克约为5.0兆电子伏,而质子的质量是938兆电子伏。三个夸克的质量加起来,根本就不等于质子的质量,甚至只有质子质量的1%。


剩下99%的质量究竟去哪儿了?相对论已经给出了答案:运动越快的物体,质量也越大。

在质子内部,夸克不可能像王八一样一动不动,这是量子力学决定的。微观世界的粒子遵循海森堡不确定性原理——一个物体的位置和速度的不确定性相乘,一定大于某个常数。

质子的直径不到一纳米的百万分之一,夸克被束缚在这么小的区域里,位置实在太确定了,所以速度就必须非常不确定,夸克在原子核里必须以接近光速的速度不停运动。

经过中美科学家前些年的实验证明,夸克运动起来之后,为质子贡献了32%的质量。质量原来有一部分来自于运动。


虽然夸克跑得飞快,但还是凑不够质子的全部质量,那么剩下的部分来自哪里呢?答案是:场。这里的场,和电磁场是一个道理。

夸克除了自身的运动,彼此之间还存在一种极强的相互作用——强相互作用力。物理学家用"颜色"这个词来给夸克贴标签,红、绿、蓝三种"色荷"必须凑齐才能让粒子稳定存在。

这和正电与负电数量相等、物体呈现出中性才能稳定,差不多。当然夸克不可能真的带有颜色,只是借用三原色才能比较通俗地解释夸克之间的作用力。

强力将夸克牢牢地吸引在一起,强力靠一种叫做胶子的粒子来传递,形成了一种强大的力场。力场中存储着夸克之间相互吸引的巨大能量。


爱因斯坦说过,能量等价于质量,所以这个场也具有质量。日常生活中我们感受不到电磁场的质量,是因为电磁场太微弱了,而夸克之间的力场却强得可怕。

传递力场的胶子为质子贡献了多少质量呢?大约是59%。场居然贡献了人体一半以上的质量,是不是超乎意料?

运动为夸克增加了质量,再加上场的质量,会发现还是不对——质子的质量还差9%没有着落,最后剩下的这一点质量又去哪儿了呢?答案是:真空。

普通人理解的真空是空无一物,而物理学家理解的真空则完全不同。真空并不是空无一物,相反它非常热闹。


在真空中,时刻都有正夸克和反夸克生成,就像一锅热汤不断冒出气泡。这些生成的夸克和质子内的夸克组合在一起,甚至让质子能够更加稳定地存在。

这种复杂的体系,物理学家把它叫做夸克凝聚体,它又为质子贡献了9%的质量。这部分可以看作是从真空中借出来的能量,真空中能量的涨落也为质量贡献了一点小小的份额。

到这里,身体质量来自哪里的问题终于搞定了。人身体里只有1%的能量是物质本身的静止质量,99%都来自能量——有运动的能量、场的能量,还有真空的能量。

换句话说,你身上绝大部分的分量,其实是能量在"扮演"质量。个人的质量问题算是有了答案,但无论是质量还是质子,人类都还远远没有搞清楚。


随着研究的深入,漏洞开始显现。2022年,一群荷兰物理学家通过对五十年来质子碰撞实验的总结发现,三个夸克组成的质子模型似乎太简单了。

质子内部除了两个上夸克和一个下夸克以外,可能还有一对粲夸克—反粲夸克存在,而一个粲夸克的质量就比质子的质量多出了三分之一。这让物理学家非常头疼。

即便抛开质子内部的复杂结构不谈,现在关于简单粒子质量的解释也出现了一点瑕疵。标准模型预测一种叫做中微子的粒子没有静止质量,可科学家们通过实验已经十分确定:中微子的静止质量不为零。人类对于质量的认识,还远远没有走到尽头。


根据长期天文观测的修正结果,宇宙诞生于约138亿年前的一次大爆炸,时空在此后飞速膨胀,如今整体直径的理论推测值高达23万亿光年,而人类可观测到的部分不过930亿光年。以太阳为标尺或许更直观一些。

太阳的质量大约是2000亿亿亿吨,也就是2乘以10的27次方吨,这已经是地球质量的33万倍。而根据科学家的估算,可观测宇宙的总质量,相当于太阳的1000万亿亿倍左右,这个天文数字远远超出了日常直觉所能承载的范围。

即便如此,这个数字仍然是一个粗略的下限。银河系里恒星与星系的平均质量虽然可以通过观测数据统计出来,但真正能被大致估算的天体只是很小一部分,更庞大的暗物质与暗能量根本无法被直接观测。


按照测算,暗物质和暗能量在宇宙物质总量中占据了绝大多数,可见的普通物质仅占很小一角。

从一克肥肉到千亿亿亿吨的太阳,再到1000万亿亿倍太阳质量的宇宙,质量这件事被一路追问下去,答案越来越颠覆常识——它并不像秤盘上那样实在,而是由希格斯机制、夸克运动、胶子力场和真空涨落共同编织的能量图景。

宇宙有多重,人类给出的只是一个阶段性的估算;关于质量的真正谜底,还静静地躺在下一次实验之后。

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