本文由莫納什大學的 Csaba Balazs 撰寫。原來是由對話出版。
說到電子，希格斯玻色子或者光子，它們沒有太多用處。它們擁有自旋、電荷、質量……僅此而已。有時，它們僅具有其中一些功能的消失量。因此，粒子的品質是一個需要理解的重要屬性，因為它涉及基本粒子物理學的根源。
那麼，就其物理意義而言，質量是什麼？為什麼有些粒子有質量而有些則沒有？你可能認為這不重要，但最大的問題是：為什麼粒子有質量？
為了回答這些問題，並超越阿爾伯特·愛因斯坦對質量的了解，讓我們深入研究粒子物理學和。
它的衡量標準
一位教授曾經告訴我，物理特性的最佳定義是它的測量方式。根據這個定義，讓我們看看如何測量品質。
當您踏上體重計時，無論您喜歡與否，它都會記錄您的體重。這是因為地球透過引力吸引你。你和地球之間存在著力，因為你和地球都有質量。
如果你踩在同樣的尺度上它會記錄你在地球上體重的一小部分。準確地說，大約是六分之一。 （從來沒有比這更有效的飲食計劃：光是飛到月球就可以減輕 83% 的體重。）
你在月球上的重量較小，因為月球的質量小於地球的質量，而月球和你之間的引力與月球的質量成正比（中號）和你的品質（米）。這是由公式給出的F = GMm/(R2）在哪裡右是月球的半徑，G稱為牛頓萬有引力常數。
質量是引力相互作用的電荷，沒有它就不存在引力。物理學家將這種質量表現稱為引力質量。
打開門時，必須用力推，否則門不會動。這是因為門具有表現為慣性的質量，即它抵消你改變其運動狀態。
牛頓第二定律表示改變物體運動狀態所需的力與其慣性質量成正比（F = 在）。在相同的加速度下，推輕門比推重門更容易。
大眾統一
愛因斯坦透過引力等效原理將引力和慣性質量連結起來。等效原理簡單地說，引力質量和慣性質量是一回事。
然而，這個簡單的陳述，加上物理方程式的數學思想不應該依賴在參考系上，領先很遠。等效原理的主要推論是愛因斯坦的引力方程式。這些方程式指定了質量如何彎曲空間和扭曲時間。
愛因斯坦重力方程式的意思很簡單：質量扭曲時空，彎曲時空使質量移動。如果你曾經看過一枚硬幣沿著漏斗形許願井盤旋而下，你就知道我在說什麼。
根據愛因斯坦的引力幾何圖，地球圍繞著太陽公轉，因為太陽在時空結構中形成了一個漏斗形的引力井，地球在其中旋轉，就像硬幣在許願井中旋轉一樣。
如果太陽沒有質量，它周圍的引力井就不會存在，地球就會直接飛走。如果地球沒有質量，它就感覺不到井的曲率，就會直線飛走。這就是漏斗形果殼中的廣義相對論。
愛因斯坦知道這一切，甚至更多。畢竟，他寫了有關相對論的書——包括狹義相對論和廣義相對論。他弄清楚了質量如何與重力和能量聯繫起來。
第一個關係由他的引力場方程式封裝，第二個關係是眾所周知的E=mc2。不幸的是，他從未有機會了解為什麼任何東西都具有品質屬性。
還有更多的事情要做
現代基礎粒子物理學在 2012 年給了我們答案，當時希格斯玻色子終於是發現了。
這個問題相當重要，因為正如我們之前所看到的，沒有質量就沒有重力。或者有嗎？嗯，實際上，有。
以光子為例。光子是無質量的精髓。根據我們目前的理解，粒子物理學最深刻的基本定律之一，稱為規範對稱性，可以防止任何力載體粒子（包括光子）獲得哪怕是最微小的質量。
然而，光子被太陽吸引。觀測清楚地表明，來自遙遠星系的光，位於太陽正後方，可以在太陽的兩側觀測到。 1919年，太陽重力場使光線彎曲的事實被用來證明廣義相對論的正確性。
光與重力場相互作用的原因是E=mc2。這個方程式告訴我們，從重力的角度來看，能量和質量是等價的。光子攜帶著微小的能量，因此它會被太陽輕微地吸引。
能量引力這一事實很重要，因為我們周圍的大部分質量實際上都是能量。眾所周知，星系和恆星的所有可見部分主要由氫組成，氫只是質子和電子。
地球由許多不同的原子組成，但這些原子只是由核子（質子和中子）和電子組成。電子比核子輕 2000 倍，因此它們帶來的質量要少得多。值得注意的是，質子和中子的大部分質量都是儲存在膠水中的能量。
膠水（或科學術語中的膠子）是將質子和中子保持在一起的物質。它是強大力量的載體。膠子中儲存的結合能構成了質子、中子、氫和任何原子的大部分質量。
希格斯玻色子的作用
我們可以到此為止，因為我們已經了解了宇宙中大部分可見質量的起源。愛因斯坦不知道宏觀物體的質量從何而來，但粒子物理學在 20 世紀末就揭示了這一點。
然而，這個故事還有一個轉折。也許是最令人驚奇的一個。如果愛因斯坦知道的話，他一定會喜歡它。
它的作用是在產生質量。這希格斯玻色子，這是激勵，是在基本層面上提供品質的因素：它將質量賦予基本粒子。
希格斯粒子的故事始於粒子物理學中一個嚴重的問題。到 20 世紀末，很明顯，前面提到的規範對稱性是基本定律，它們禁止任何質量的力載體。
然而，在1983年，巨大的力量攜帶著，W 和 Z 玻色子，是由大正負電子發現的（LEP）（大型強子對撞機的前身（大型強子對撞機））。
這是一個嚴重的難題：最基本的自然定律之一，規範不變性受到威脅。放棄規範不變性就意味著從頭開始粒子物理學。
令人驚訝的是，聰明的理論家想出了一種魚與熊掌兼得的方法！他們引入了希格斯機制，該機制使我們能夠在基本層面上保持規範對稱性，但又打破它們，使得在我們特定的宇宙中，大量的 W 和 Z 粒子仍然是可能的。
這個令人難以置信的技巧為謝爾頓·格拉肖 (Sheldon Glashow)、阿卜杜斯·薩拉姆 (Abdus Salam) 和史蒂文·溫伯格 (Steven Weinberg) 贏得了冠軍1979年諾貝爾物理學獎。除了力載體之外，希格斯機制也為基本物質粒子提供質量，解釋了為什麼電子、或者夸克有質量。
基本電子、夸克或然而，與我們周圍膠水產生的質量相比，它的質量可以忽略不計。那麼這是否意味著希格斯粒子在原子層面上可以忽略不計？
答案是否定的！沒有希格斯粒子，電子將沒有質量，所有原子都會崩潰。中子不會衰變，因此即使是原子核也會看起來非常不同。總而言之，宇宙將會是一個非常非常不同的地方，缺少星系、恆星和行星。
然後黑暗的東西來了
那麼，現在我們知道了關於品質的一切，對嗎？不幸的是沒有。整個宇宙中只有 5% 的質量來自普通物質（其質量是已知的）。
我們不僅不知道那是什麼質量，甚至不知道暗區是由什麼組成的。所以請繼續關注，因為彌撒的故事仍在繼續，直到千禧年。
