本文要講的并不是某一件產品品質的好壞，而是所有物質（包括我們自己）最基本的物理性質。

物質為什么會有質量？這是一個很有意思的問題，我們將在本文中重點探討。

質量 ≠ 重量

許多人會關心自己的體重，假設一個身體質量為50kg的女孩子，她在新加坡稱體重，結果會是多少呢？重量的本質是地球對物體的引力大小，因此首先我們請出萬有引力公式：

F=G·m1m2/R2

其中引力常數G=6.6741×10?11 N·m2/kg2，地球的質量m1=5.965×102? kg，女孩的質量m2=50kg，地球赤道半徑R=6378137m，極半徑6356752m。

將數據代入公式后可得：F = 489.31156N = 49.896 kgf

49.896kg,看樣子要比她的實際體重輕一點。

別急！新加坡位于赤道附近，隨著地球自轉，女孩在地球赤道表面實際上還在做離心運動，因此她同時還受到一個向上的慣性力，我們以離心運動向心力公式：

f = mω2R

將m=49.896 kg，地球角速度ω=7.292×10?? rad/s，R=6378137m代入公式后得到：

f = 1.6922 N =0.173 kgf

女孩子在新加坡測量的體重為：F - f = 49.896 - 0.173 = 49.72 kg

同樣在地球，這個女孩子在北極測得的體重則是：492.61N = 50.23 kg

注意到了沒？女孩在北極稱的體重要比在赤道重1斤多！

女孩子稱的并不是她的質量，而是地球的引力。如果要想知道一個物體的質量是多少，物理老師會建議你使用物理天平，它的測量結果會準確許多。

質量是什么？

經典物理學認為，質量是物質的量。牛頓說“質量等于物體的密度與它體積的乘積”，不同的物質有不同的密度。

在牛頓力學中，質量是量度物體慣性大小的物理量。

通過牛頓力學第二定律：F=ma，我們可以看出質量m越大的物體，我們想要改變其運動狀態(tài)所需要的力就越大，因此物體的質量m被稱為慣性質量，它是不變的，與速度大小無關。

通過牛頓的萬有引力公式我們可以發(fā)現物質的質量是產生引力的必要條件，沒有質量就沒有引力，質量越大的物體其引力就越大。因此，質量m的這種表現又被稱為引力質量。

宇宙中的所有物質都是既有慣性質量又同時有引力質量，質量是物質的最基本特性之一。

對于質量，愛因斯坦有不同的看法，他認為物體的質量是它所含能量的大小，質量與能量是等效關系。這從著名的愛因斯坦質能方程可以清晰地表達：

ΔE=Δmc2

其中ΔE代表能量的變化量，Δm為質量的變化量，c為真空中的光速，它是一個規(guī)定值。

為了便于公眾理解，這個方程經常被簡寫為E=mc2，E為能量，m為質量。

有人以此為據，說物質的質量就是能量，這是不對的。嚴格地說愛因斯坦認為在一個慣性系中，質量等效于能量，具有一定慣性質量的物體必定有相應數量的能量。質量因能量而扭曲時空，扭曲的時空又可以移動質量，當質點的運動速度很快時，質量會發(fā)生變化。

為什么物體會有質量？愛因斯坦沒有說。這個答案需要從量子力學中尋找。

量子力學認為，物體之所以有質量是因為組成物體的基本粒子有裸質量，而廣義角度的物理質量則是由基本粒子間的相互作用、以及基本粒子與其周圍量子場的相互作用而產生的。

物質質量的微觀解釋

到目前為目，宇宙中所有已知的物質大到恒星、行星，小到昆蟲、細菌都是由微觀的基本粒子構成。無論是構成人體細胞的碳、氫、氧、鈣，還是用于制造手機的鐵、鋁、銅、硅等元素，它們都是由質子、中子和電子進行不同排列組合的結果。

物質之所以擁有質量，是因為構成一切元素的微觀粒子擁有物理質量。

質子的質量= 1.6726231×10?2? kg

中子的質量= 1.6749286×10?2? kg

電子的質量= 9.118195399×10?31 kg

質子與中子是由夸克“粘合”而成，其中質子由兩個上夸克與一個下夸克結合，中子由一個上夸克與兩個下夸克結合而成，夸克與夸克之間由膠子傳遞的強相互作用力結合在一起。

問題來了：上夸克的裸質量僅有 2.3MeV/c2，下夸克的質量也僅有約4.8MeV/c2，組成質子的兩個上夸克與一個下夸克的質量之和為9.4MeV/c2，電子的等效質量為0.511MeV/c2，三個夸克質量之和僅為電子質量的18.4倍。而質子的實測靜止質量卻是電子的1836倍，這中間巨大的差值是從哪里來的？

按泡利不相容原理，夸克不能單獨存在，它必須與其它夸克相結合，夸克與夸克之間由膠子通過強力“粘接”。在量子規(guī)范場論標準模型中，膠子是規(guī)范玻色子，它只負責夸克間強力的傳遞，與傳遞電磁相互作用的光子一樣，膠子本身質量必須為零。它需要從外部“借”來質量。

這個質量是由希格斯場“借出”的。

希格斯場一直被認為充滿著宇宙包括宇宙的真空。1964年，英國物理學家彼得·希格斯和他的幾位同事用純粹的數學方法證明，如果存在某種類型的宇宙背景場，那么傳遞力的粒子就會表現得像它們有質量一樣。希格斯勢與復值希格斯場伴生，它們之間的關系就像是一頂墨西哥帽子，“帽子”底部的最低能量態(tài)可以使原本無質量的規(guī)范玻色子獲得質量。

希格斯玻色子是希格斯場所激發(fā)的粒子，物理學家們花了幾十年的時間尋找它，因為只有找到它才能證明希格斯場的存在，進而回答為什么浸泡著夸克的“膠子湯”擁有質量。2012年7月， 歐洲核子研究組織（CERN）宣布，他們利用昂貴的大型強子對撞機（LHC）轟擊出了希格斯玻色子，它的質量大約為126GeV/c2，至此科學家們已經確定希格斯場是存在的，并且希格斯玻色子的觀測質量符合理論計算值范圍。

再談一談光子的靜止質量

學過高中物理的人大多知道“光子沒有質量”，在量子物理中光子被定義為規(guī)范玻色子，它的靜止質量“嚴格為零”，它只有動質量。光子的動質量是由其能量賦予的。

我在前幾天《光子靜止質量不為零對物理學的重大影響》一文中提到了廣義相對論允許光子有相對靜止質量，有的朋友不理解，因為狹義相對論認為光子的質量必須為0，廣義相對論建立在狹義相對論的基礎之上，為什么廣義相對論又允許光子有靜止質量？特在此補充說明。

我們對愛因斯坦質能關系式進行一次推導：

已知η是常數，η= 5.2123×10??? g·s，ω為光的頻率，單位是Hz。

可見光的頻率范圍是101?~101? Hz，將其代入上述公式，可以得出光子的最大靜止質量范圍在：10?3? ~10?33g之間。

一束頻率為5.0812×101? Hz的黃光，它的光子靜止質量上限大約為2.6485×10?33 g。

或許光子與膠子一樣，它的相對靜止質量也是從某個場“借來的”？我們還需要繼續(xù)探索以尋找答案。

總結：

一、重量不是質量，我們平常稱的重量只是有質量物體與地球相互引力的度量值。

二、質量有許多種不同的表達，它的實質是物質量的度量。

三、一切物質由微觀粒子構成，微觀粒子的質量、數量以及粒子間的相互作用關系決定了物質的質量。

四、有些在理論上被定義為“靜止質量為0”的粒子，它們可以通過希格斯場的相互作用而獲得質量。