质量是什么？物质为什么会有质量？

希格斯场示意图（图片来源于网络）

2019年5月20日，第20个“世界计量日”，计量物体质量的单位“1千克”，被重新定义，并通过关于国际单位制（SI）基本单位变革的决议生效实施。

在这之前的质量单位“1千克”，是由一个直径和高度同约为39毫米的铂铱合金圆柱体定义，即“国际千克原器”，外号为“大K”，保存在巴黎西郊一间地下储藏室内。“大K”是金属制品，其质量容易受到空气污染和氧化等因素影响而出现细微变化，难以适应现代精密测量的要求。

重新定义的“千克”，是以量子力学中的普朗克常数为基准。具体原理是：将移动质量１千克物体所需机械力，换算成可用普朗克常数表达的电磁力，再通过质能转换公式算出质量。重新定义的“千克”，精度可达3.4×10^-8，比“大K”稳定至少1百万倍。

那么，质量究竟是什么呢？为什么会有质量？今天我们就来讨论这个话题。

去商店买东西，你常常会问：“这东西的质量如何呀？”这里的“质量”是指某种产品的品质，如耐用性、精致性，或实用性等。今天要讨论的“质量”，特指某种物体所固有的物理特性。

质量，有很多表现形式。

重量，是质量的一种表现形式之一，也可以叫做引力质量。一个物体，例如一个人的重量，就是物体受到的地心引力减去地球自转产生的离心力之差。物体的质量，是产生引力的必要条件，没有质量就没有引力；质量越大，则引力就越大。

惯性质量，也是质量的一种表现形式。根据牛顿力学定律：质量等于物体的密度与它体积的乘积；质量是量度物体惯性大小的物理量。根据牛顿力学第二定律：F=ma，物体质量m越大的物体，想要改变其运动状态，所需要的力就越大。物体的质量m是不变的，与运动速度无关。

 一个物体，既有惯性质量，又有引力质量。质量是物质的最基本特性之一。万有引力定律，体现了质量与引力的关系。

在爱因斯坦的质能方程E=mc²（E为能量，m为质量）中，质量和能量是等价关系。但这里不能说“质量就是能量”，没有同“引力质量”“惯性质量”相对应的“能量质量”一说。

根据狭义相对论原理，在一个惯性系中，质量等效于能量，具有一定惯性质量的物体，必定有相应数量的能量。广义相对论认为，质量所具有的能量会扭曲时空，而扭曲的时空又会移动质量；物体做加速运动，会引起物体的质量增大。

物体为什么会有质量？质量的本质究竟是什么？在经典物理学里面没有答案。这个答案需要在量子力学中寻找。

物体之所以有质量，是因为组成物体的基本粒子有裸质量。宇宙之中的物体，大至恒星，小至尘埃，都是由原子组成，而原子又由质子、中子和电子等基本粒子组合而成。质子、中子和电子等微观粒子，都拥有物理质量：质子的质量约为1.6726231×10⁻²⁷kg；中子的质量约为1.6749286×10⁻²⁷kg；电子的质量约为9.118195399×10⁻³¹kg。

质子由两个上夸克与一个下夸克结合而成；中子由一个上夸克与两个下夸克结合而成。夸克与夸克之间，由胶子传递的强相互作用力结合在一起。经科学实验测量：上夸克的裸质量约为2.3MeV/c²；下夸克的质量约为4.8MeV/c²，组成质子的两个上夸克与一个下夸克的质量之和约为9.4MeV/c²，电子的等效质量约为0.511MeV/c²，三个夸克质量之和仅为电子质量的18.4倍，而质子的实测静止质量却是电子的1836倍。

中间巨大的差值是从哪里来的？

科学家猜想，物理质量，是由基本粒子与希格斯场相互作用而产生的。

根据量子力学之中的泡利不相容原理，夸克不能单独存在，必须与其它夸克相结合，夸克与夸克之间由胶子通过强力“粘接”。在量子规范场论标准模型中，胶子是规范玻色子，它只负责夸克间强力的传递，与传递电磁相互作用的光子一样，胶子本身的质量必须为零。

胶子需要从外部“借”来质量，而这个质量是由希格斯场“借出”的。

希格斯场充满着宇宙，包括宇宙的真空。希格斯场与希格斯势可以使胶子获得质量。2012年7月，欧洲核子研究组织（CERN）利用大型强子对撞机（LHC）轰击出了希格斯玻色子，质量大约为126GeV/c²，证实了希格斯场的存在。

一切物质由微观粒子构成，微观粒子的质量、数量以及粒子间的相互作用关系决定了物质的质量。或许，有些在理论上被定义为“静止质量为0”的粒子，它们可以通过希格斯场的相互作用而获得质量。