科学大唠嗑：物质是什么（终篇）物质的终极奥秘终于揭晓
科学大唠嗑
张 喆
天津市天文学会会员
天津科技馆科普辅导员
01
为了能够说明这个关于物质本质的关键问题，咱们就从日常生活中非常熟悉的水这种物质入手，不过这里所说的是水的一种特殊形式——冰。
想象一下，假如现在有一块边长大约是2.7厘米的正立方体冰块，为什么选这个尺寸，是因为这个尺寸比一英寸稍微大一点，后边的计算相对容易。
把这个冰块放在手心里，天气很冷，接触到手心的那一部分冰会融化，所以会感觉到冰块很滑，我们几乎感觉不到冰块有什么重量，但是我们非常清楚的知道冰块的质量并不是零。
现在我们来思考两个问题，这块冰是由用什么做的？
还有第二个重要的问题：它的质量是怎么来的？
在古希腊哲学家看来，水是与土、气、火并列的四大元素之一。原子论者认为，物质实体不可能从虚无中诞生，也不可能被无穷无尽地分割，直到虚无。他们认为原子具有像大小、形状、位置和重量（即质量）这些特定的性质。
根据这种说法，我们手中的冰块一定是由原子组成，而原子只能存在于被称为虚空的真空中。卢克莱修认为水的流动性意味着它含有“随时可以滚动”的小原子，而蜂蜜的黏性比水更强，它一定是由更粗糙、更大的原子组成的。但是，当周围的环境被冷却时，粒子或原子的热量就会被释放出来，从而使得水冷却并冻结。由此我们可以想象，当水冻结成冰时，它的球状小原子排列得越来越紧密，并最终形成了固体特有的规则排列。
培根、玻意耳、牛顿这些机械哲学家心目中的原子并没有比这复杂多少。牛顿在《光学》的问题31中，推测力可能会在原子间起作用。但是，除了指出这些力可能以万有引力和电磁力这些被我们所熟知的形式存在之外，牛顿无法对这些力的确切性质加以阐述。
在由炼金术士建立起的悠久传统之上，科学家们区分了不同的化学元素，如氢、碳、氧。要了解冰是用什么做的，我们需要借鉴化学家的认识。道尔顿和盖–吕萨克通过研究这些元素的相对重量和气体化合体积得出了这样的结论：不同的化学元素由不同重量的原子构成，这些原子按照一套规则互相组合，这套规则适用于所有原子。
当人们认识到氢气和氧气都是双原子气体之后，氢和氧如何结合在一起产生水的秘密就被揭开了：水是由两个氢原子和一个氧原子组成的化合物。第一个问题的答案就是冰块是由水分子按照一定的规律排列而成的。
现在我们开始回答第二个问题。阿伏伽德罗定律指出，1摩尔化学物质中包含6×10^23个离散的“粒子”，于是我们可以简单地把1摩尔物质的分子重量换算成克。(摩尔是物质的量的单位，就好比人们常说的一打就是指12个，“摩尔”和“打”一样只是一种特殊的单位量。12克碳-12所包含的原子个数就是1摩尔。)
氢气（H2）的相对分子质量是2，氧气（O2）的相对分子重量是32，所以，水（H2O）的相对分子质量为2+16=18。巧合的是，我们手中的冰块大约就是18克重，这意味着它代表着1摩尔左右的水。
根据阿伏伽德罗定律，我们手中的冰块含有6×10^23个水分子。第二个问题的答案也就明确了，冰的质量来源于6×10^23个水分子中的氢原子和氧原子的质量。
02
物质原来不是物质
这个问题还可以更进一步。汤姆孙、卢瑟福、玻尔以及20世纪初的许多物理学家都告诉我们，所有的原子都包含一个较重的中心核，其周围环绕着较轻的电子。后来我们又知道了这个中心核是由质子和中子组成的，其中质子数决定了元素的化学性质，但是原子核的总质量，是由原子核中质子和中子的总数决定的。
如果我们忽略电子，就可以说，冰块的质量就是组成它的氢原子和氧原子的原子核中所有的质子和中子之和，而每个水分子中包含10个质子和8个中子。
所以，如果说手中的这个冰块包含6×10^23个分子，同时忽略质子质量和中子质量之间的微小差异，那么我们就可以得出这样的结论：这个冰块的质量是6×10^23个质子或中子质量的18倍，就是质子或中子的质量的1.08×10^25倍。
别急，还不算完。我们现在知道质子和中子也不是基本粒子，它们是由夸克组成的。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。将这些夸克结合在一起的色力是由无质量的胶子携带的。
我们只要重复一遍刚才的做法，将上下夸克的质量近似地看作相等，那么只需要乘以3，也就是质子和中子的质量转化成上夸克和下夸克的质量，这样就能得到冰块的质量了，对不对？
问题就出现在这里，夸克的质量都很轻，目前还没有办法进行准确的测量，咱们来做一下粗略的对比，两个上夸克和一个下夸克的总质量只有质子质量的1%；两个下夸克和一个上夸克的总质量只有中子质量的1.3%。也就是说质子和中子的质量中大约有99%都无法解释。
要回答这个问题，我们需要认识到我们正在研究的到底是什么。夸克并不是古希腊人或者机械哲学家所想象的那种独立的“粒子”，它们是量子波–粒子，是基本量子场的基本振动或涨落。上下夸克只比电子重几倍，而我们已经在实验中验证了电子的波粒二象性。接下来的现象会相当奇怪，甚至会让人完全无法理解。
如果我们只考虑无质量的胶子和上下夸克，并进一步假设夸克本身也是无质量的。根据这些近似计算出的质子质量只比测量值轻10%。假设任何粒子都没有质量，然而据此得到的计算结果却达到了90%的准确度。这一结论真是惊人，质子的大部分质量都来自组成它的夸克和胶子相互作用的能量。
经过计算，科学家们还推测出中子实际上比质子稍微重一些。在发现希格斯场之后，科学家们发现所有的基本粒子，包括物质粒子在内，都是通过与希格斯场的相互作用而获得质量的。将质子和中子质量之间的差别转化成组成它们的夸克之间的质量的差别之后，我们的最后一个问题变成了这样，为什么下夸克与希格斯场的相互作用比上夸克更强？这正是我们目前已有认知的极限。
希格斯机制是当前粒子物理标准模型的一个基本组成部分，而希格斯玻色子被发现之后告诉我们，它很有可能是正确的。但是这一模型一直以来都无法解答有关希格斯场与不同物质粒子和力粒子相互作用的相对强度的问题。
约翰·惠勒用“没有物质的质量”来描述引力波的叠加效应，这种叠加可以使能量集中并发生局域化，从而产生黑洞。如果这件事真的会发生，那就意味着一个黑洞，一种超高密度物质的最终表现形式，并不是产生于坍缩恒星中的物质，而是由时空中的波动产生。惠勒真正的意思是，引力有可能创造出黑洞。
但是惠勒的话放在这里更为合适。如果质子和中子的大部分质量来自这些粒子内部发生的相互作用的能量，那么这确实是“没有物质的质量”，这也意味着我们倾向于将质量归因于一种行为而不是一种属性。
这听起来是不是很熟悉？在爱因斯坦1905年发表的关于狭义相对论的那篇简短的附录中，他推导出的方程其实是m=E/c2。爱因斯坦很有先见之明，他写道：“物体的质量是它所含能量的量度。”而事实正是如此。
这一认知将我们带向了何方？自从2500年前古希腊原子论者开始思索物质本质以来，我们已经取得了长足的进步。
但在大多数时间里，我们一直坚信物质是我们物理宇宙的基本组成部分。我们也坚信物质具有能量。而且，尽管物质可以被分解成微观的成分，但是我们长期以来还是认为这些更小的成分仍然可以被当作物质来认知——它们仍然具有质量这一基本性质。
现代物理学告诉我们的则截然不同，并且与我们的直觉大相径庭。随着我们不断地深入研究，从物质到原子，从原子到亚原子粒子，从亚原子粒子再到量子场和力，现在我们已经完全看不到物质了，它失去了有形的性质。物质也失去了原本的首要地位，因为质量变成了第二性质，它只是无形的量子场相互作用的结果。
你的认知是不是已经坍塌了？
尽管我们的物质世界中充满了坚硬而沉重的物质，但量子场的能量才是至高无上的。质量只是能量的物理表现，宇宙最大的统一特征是量子场的能量，而不是坚硬的、不可穿透的原子。
19世纪末的物理学家认为他们已经解决了所有问题，现在我们了解的知识比他们更多了。虽然从那之后我们又了解了很多新的知识，但是我们也很清楚，还有很多事情是我们仍然不知道，也无法解释的。
也许这并不是哲学家一直以来的梦想，但它的确是一个梦想。如果我们梦想着有一个目的地，到了那里我们就能够得到终极答案，那么我们可能永远都无法抵达那里。但是，在我们前往这个目的地的旅途中还有很多东西值得看，也有很多东西可以学习并享受其中。
物质是什么系列到这儿就结束了。下周我们开始聊聊时空的奥秘。
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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！