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對于物質的質量,許多人可能都知道,就像太陽系的質量幾乎都集中在太陽一樣,原子的質量幾乎集中在原子核,由其內部的質子和中子提供,而電子的質量相對于質子和中子來說非常小,可以忽略不計。在更深的層次上,質子和中子的質量則來自于它們內部的夸克。 ![]() 根據夸克模型,質子由兩個上夸克和一個下夸克構成,而中子由一個上夸克和兩個下夸克構成的。質子和中子的質量相差不大。然而,根據科學家的研究,夸克本身的質量實際上非常小,遠小于它們所組成的粒子的質量。以質子為例,三個夸克加起來的質量只有大約10兆電子伏特,僅占質子實際質量的約1%。 那質子和中子多出的質量是怎么來的呢? 它們的質量主要來源于兩個方面:一是夸克之間的相互作用,二是希格斯場的作用。 物理學家發(fā)現,質子和中子這類由夸克構成的復合粒子,它們大部分的質量實際上來自于夸克之間的強相互作用所蘊含的能量,夸克本身僅提供了很小一部分質量。 ![]() 而夸克、電子這類基本粒子,按照標準模型的觀點,它們的質量來源于希格斯場與這些粒子相互作用使得它們獲得了質量。希格斯場彌漫在整個宇宙空間中,希格斯粒子就是希格斯場的量子化激發(fā),它的存在已經在實驗上得到了證實。 總的來說,物質的質量主要來自于構成物質的微觀粒子的質量以及粒子之間的相互作用能。 那為什么夸克或者其他微觀粒子之間的相互作用能提供質量呢? 首先,將夸克結合在一起的強相互作用力,雖然是一種局限于亞原子粒子間的短程力,但卻是一種比弱力、電磁力和引力強大得多的一種基本力,因此強相互作用所蘊含的能量也要大得多。 ![]() 其次,根據愛因斯坦的質能方程,質量和能量不僅存在著當量關系,本質上其實還是一回事,質量與能量是等價的。愛因斯坦更是認為:“質量只是能量的一種度量形式”。 ![]() 在許多科普文章中,經常會提到質量轉變?yōu)槟芰?,能量轉變?yōu)橘|量的這種說法。如果把質量和能量這兩個概念分開來看,在某些情況下,質量和能量確實可以相互轉化。而在質能轉換過程中,質量和能量是守恒的,因此質量守恒定律與能量守恒定律也在形式上被統一為質能守恒定律。 但需要注意的是不能脫離物質而描述能量,因為能量通常是用于描述物質的運動和變化的量度,它蘊含于物質的運動變化過程中。 ![]() 以能量變質量為例,在核裂變或者核聚變這種核反應過程中,反應后反應物會發(fā)生質量虧損,這些虧損的質量似乎是變成了能量,但其實這些能量是以光子(電磁輻射)、中微子等粒子形式散逸到了空間中??雌饋硭坪跏琴|量轉變成了能量,但物質本身并沒有消失,只是轉變成了其他物質形態(tài),而這個過程其實就是能量釋放的過程。 ![]() 至于能量變質量,其實是因為物質間的相互作用,物體的運動狀態(tài)或者物體本身因此發(fā)生了變化。如果物質的運動速度變快,溫度上升,這樣該物質所蘊含的能量就增加了。能量增加了,從質能關系上來看,不就是質量增加了嗎? 物質所蘊含的內部能量是十分巨大的,如果能夠百分百釋放,人類將擁有取之不盡,用之不竭的能源。然而目前人類所掌握的核裂變技術,對物質質量的能量轉化率只有0.7%。在一些特殊情況下,例如當物質和反物質相遇時,就會發(fā)生湮滅反應,能量轉化率將達到100%。 |
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