在物理学中,质量大概是我们最早接触到的一个物理学术语了,而根据公式m(质量)=ρ(密度)V (体积),我们能够轻易计算出一个物体的质量。
当然,除了用公式计算以外,在生活中,我们也可以直接用秤来称出物体的质量,我们称量体重就是生活中的一种,最简单普遍的质量称量。
而关于质量的明确定义,最早则是由著名物理学家牛顿提出的,他曾在《自然哲学的数学原理》一书中这样写道:
物质的量是起源于同一物质的密度和大小联合起来的一种度量。
在书中,牛顿虽然给了质量一个明确的定义。但是随着科学的不断发展,科学家们却发现,这样的定义其实并不能让人满意,因为质量这个话题太大太深奥了,以至于关于质量本质的问题,一直困扰了科学家们长达数年的时间……
要想弄清楚质量的本质是什么,我们必须先要弄清楚,有关物质组成的问题。
在宇宙中,几乎所有的宏观物质,都是由各种微观的物质元素构成的。就拿我们人体来说,构成我们人体的是各种细胞、组织,而构成各种细胞、组织的,则是更微观的分子,而分子则又是由各种原子组合而成的。
当然,物质细分到原子级别之后,其实还能继续往下细分的,伴随着科学的不断进步,科学家们发现,原子其实是由原子核和核外电子构成的,而原子核则又是由质子和中子结合而成的。
而在原子中,原子核所占的质量又是要远超电子的,以氢原子为例,其中电子的质量在整个原子质量中,所占的比例为仅为1/1837,而剩下的比重则都是原子核所占的。由此我们不难看出,在原子中,质量其实都是被质子和中子占据的。
然而,有意思的是,再后来科学家们又发现,质子和中子再往下细分是由不同夸克组成的,但是伴随着夸克的发现,在质量问题上,最令科学家们费解的问题也随之出现了。
因为夸克是存在质量的,但是科学家们通过计算却发现,组成原子核的夸克质量全部加起来,也仅占据了原子核质量的1%,那整个原子核内,剩余99%的质量到底又去哪儿了呢?
要想揭晓这个问题的答案,我们必须弄清楚自然界存在的四种最基本的作用力。在自然界,科学家目前总共发现了四种最基本的作用力,它们分别里,强相互作用力、弱相互作用力、电磁力以及引力。在这四种基本作用力中,强相互作用力最为强大,它究竟强到了一种怎样的程度呢?
我们前面提到了,组成原子核的是质子和中子,而我们经常想当然地,把它们的组合看成是理所应当,但是在这背后,却是一种无形的作用力把它们给牢牢粘在一起的。这种无形的作用力也就是上面的强相互作用力了,并且在粘合质子和中子的过程中,它还克服了由电磁力产生的强大排斥力量。
说了这么多,可能很多人会问,强相互作用力跟质量又有什么关系呢?
上面我们说了,强相互作用力将质子和中子牢牢粘在了一起,而质子和中子又是由夸克构成的,也就是说,强相互作用力其实是作用在了这些夸克之间的。现在我们再来看原子核的构成,你就会注意到原子核里又多出了一些强大的能量。
而根据爱因斯坦提出的质能方程E=mc²,我们可以看到在物质世界里,能量(E)其实跟质量(m)是成正比的,而在这里,我们也可以理解为能量(E)跟质量(m)是等价的。这样一来,你就会发现,当能量变得足够强大之后,质量也会随之产生并伴随能量的增大而增加。
由于构成原子核的夸克之间存在非常强大的强相互作用力,而这其中的能量又会以等价的质量的形式表现出来,因此原子核质量中剩余99%的质量,也就由强相互作用力的能量作为补充了。
最后,我们也就得出了这样一个结论,那就是物体99%的质量,都源于强相互作用束缚夸克的能量,而剩余1%的质量则来自于各种微观物质的质量。
最后,关于物体质量是如何产生的问题,相信大家应该都有所了解了。但是,不知道有没有人跟大川一样,存在这样一点疑惑,那就是关于物体剩余1%的质量的问题。
既然这1%的质量是来源于各种微观物质的质量,那么这些微观物质(夸克、电子)的质量,到底又是由什么决定的呢?