本文由莫纳什大学的 Csaba Balazs 撰写。原来是由对话出版。
说到电子，希格斯玻色子或者光子，它们没有太多用处。它们拥有自旋、电荷、质量……仅此而已。有时，它们仅具有其中一些功能的消失量。因此，粒子的质量是一个需要理解的重要属性，因为它涉及基本粒子物理学的根源。
那么，就其物理意义而言，质量是什么？为什么有些粒子有质量而有些则没有？你可能认为这并不重要，但最大的问题是：为什么粒子有质量？
为了回答这些问题，并超越阿尔伯特·爱因斯坦对质量的了解，让我们深入研究粒子物理学和。
它的衡量标准
一位教授曾经告诉我，物理特性的最佳定义是它的测量方式。根据这个定义，让我们看看如何测量质量。
当您踏上体重秤时，无论您喜欢与否，它都会记录您的体重。这是因为地球通过引力吸引你。你和地球之间存在力，因为你和地球都有质量。
如果你踩在同样的尺度上它会记录你在地球上体重的一小部分。准确地说，大约是六分之一。 （从来没有比这更有效的饮食计划：仅仅飞到月球就可以减轻 83% 的体重。）
你在月球上的重量较小，因为月球的质量小于地球的质量，而月球和你之间的引力与月球的质量成正比（中号）和你的质量（米）。这是由公式给出的F = GMm/(R2）在哪里右是月球的半径，G称为牛顿万有引力常数。
质量是引力相互作用的电荷，没有它就不存在引力。物理学家将这种质量表现称为引力质量。
打开门时，必须用力推，否则门不会动。这是因为门具有表现为惯性的质量，即它抵消你改变其运动状态。
牛顿第二定律表示改变物体运动状态所需的力与其惯性质量成正比（F = 在）。在相同的加速度下，推轻门比推重门更容易。
大众统一
爱因斯坦通过引力等效原理将引力和惯性质量联系起来。等效原理简单地说，引力质量和惯性质量是一回事。
然而，这个简单的陈述，加上物理方程的数学思想不应该依赖在参考系上，领先很远。等效原理的主要推论是爱因斯坦的引力方程。这些方程指定了质量如何弯曲空间和扭曲时间。
爱因斯坦引力方程的含义很简单：质量扭曲时空，弯曲时空使质量移动。如果您曾经见过一枚硬币沿着漏斗形许愿井盘旋而下，您就知道我在说什么。
根据爱因斯坦的引力几何图，地球围绕太阳公转，因为太阳在时空结构中形成了一个漏斗形的引力井，地球在其中旋转，就像硬币在许愿井中旋转一样。
如果太阳没有质量，它周围的引力井就不会存在，地球就会直接飞走。如果地球没有质量，它就感觉不到井的曲率，就会直线飞走。这就是漏斗形坚果壳中的广义相对论。
爱因斯坦知道这一切，甚至更多。毕竟，他写了有关相对论的书——包括狭义相对论和广义相对论。他弄清楚了质量如何与重力和能量联系起来。
第一个关系由他的引力场方程封装，第二个关系是众所周知的E=mc2。不幸的是，他从未有机会了解为什么任何东西都具有质量属性。
还有更多的事情要做
现代基础粒子物理学在 2012 年给了我们答案，当时希格斯玻色子终于是发现。
这个问题相当重要，因为正如我们之前所看到的，没有质量就没有重力。或者有吗？嗯，实际上，有。
以光子为例。光子是无质量的精髓。根据我们目前的理解，粒子物理学最深刻的基本定律之一，称为规范对称性，可以阻止任何力载体粒子（包括光子）获得哪怕是最微小的质量。
然而，光子被太阳吸引。观测清楚地表明，来自遥远星系的光，位于太阳正后方，可以在太阳的两侧观测到。 1919年，太阳引力场使光线弯曲的事实被用来证明广义相对论的正确性。
光与引力场相互作用的原因是E=mc2。这个方程告诉我们，从引力的角度来看，能量和质量是等价的。光子携带着微小的能量，因此它会被太阳轻微地吸引。
能量引力这一事实很重要，因为我们周围的大部分质量实际上都是能量。众所周知，星系和恒星的所有可见部分主要由氢组成，氢只是质子和电子。
地球由许多不同的原子组成，但这些原子只是由核子（质子和中子）和电子组成。电子比核子轻 2000 倍，因此它们带来的质量要少得多。值得注意的是，质子和中子的大部分质量都是储存在胶水中的能量。
胶水（或科学术语中的胶子）是将质子和中子保持在一起的物质。它是强大力量的载体。胶子中储存的结合能构成了质子、中子、氢和任何原子的大部分质量。
希格斯玻色子的作用
我们可以到此为止，因为我们已经了解了宇宙中大部分可见质量的起源。爱因斯坦不知道宏观物体的质量从何而来，但粒子物理学在 20 世纪末揭示了这一点。
然而，这个故事还有一个转折。也许是最令人惊奇的一个。如果爱因斯坦知道的话，他一定会喜欢它。
它的作用是在产生质量。这希格斯玻色子，这是激励，是在基本层面上提供质量的东西：它为基本粒子提供了质量。
希格斯粒子的故事始于粒子物理学中的一个严重问题。到 20 世纪末，很明显，前面提到的规范对称性是基本定律，它们禁止任何质量的力载体。
然而，在1983年，巨大的力量携带着，W 和 Z 玻色子，是由大正负电子发现的（LEP）（大型强子对撞机的前身（大型强子对撞机））。
这是一个严重的难题：最基本的自然定律之一，规范不变性受到威胁。放弃规范不变性就意味着从头开始粒子物理学。
令人惊讶的是，聪明的理论家想出了一种鱼与熊掌兼得的方法！他们引入了希格斯机制，该机制使我们能够在基本层面上保持规范对称性，但又打破它们，使得在我们特定的宇宙中仍然可能存在大量 W 和 Z 粒子。
这个令人难以置信的技巧为谢尔顿·格拉肖 (Sheldon Glashow)、阿卜杜斯·萨拉姆 (Abdus Salam) 和史蒂文·温伯格 (Steven Weinberg) 赢得了冠军1979年诺贝尔物理学奖。除了力载体之外，希格斯机制还为基本物质粒子提供质量，解释了为什么电子、或者夸克有质量。
基本电子、夸克或然而，与我们周围胶水产生的质量相比，它的质量可以忽略不计。那么这是否意味着希格斯粒子在原子水平上可以忽略不计？
答案是否定的！没有希格斯粒子，电子将没有质量，所有原子都会崩溃。中子不会衰变，因此即使是原子核也会看起来非常不同。总而言之，宇宙将是一个非常非常不同的地方，缺少星系、恒星和行星。
然后黑暗的东西来了
那么，现在我们知道了关于质量的一切，对吧？不幸的是没有。整个宇宙中只有 5% 的质量来自普通物质（其质量是已知的）。
我们不仅不知道那是什么质量，甚至不知道暗区是由什么组成的。所以请继续关注，因为弥撒的故事仍在继续，直到千禧年。
