一、物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生的原理

物質(zhì)質(zhì)量的產(chǎn)生原理涉及到多個層面的概念與現(xiàn)象。

從宏觀角度看，牛頓時代將質(zhì)量定義為密度與體積的乘積（m = ρV），這是一種計算質(zhì)量的方式，但未觸及本質(zhì)。在日常生活中，我們能感受到物體的重量，這實際上是地球?qū)ξ矬w的引力作用，而質(zhì)量是物體本身的一種屬性，它反映了物質(zhì)的量。

從微觀角度深入，萬物由原子組成，原子又包含原子核和電子。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，而質(zhì)子和中子還可進一步細分，它們都是由夸克組成。電子是基本粒子，質(zhì)量相對原子核來說極小，例如氫原子中，核外電子質(zhì)量僅占原子質(zhì)量的1/18371。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成?？淇穗m然有質(zhì)量，但夸克質(zhì)量總和遠不足以解釋原子核的總質(zhì)量。

實際上，原子核中99%的質(zhì)量來自于強相互作用的能量。自然界存在四種基本作用力：強力、弱力、電磁力和引力，強力的強度最大，它將組成質(zhì)子和中子的夸克緊緊束縛在一起，通過膠子傳遞強力，這個過程中伴隨著巨大能量，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E = mc2，能量和質(zhì)量是等價的，所以這部分能量就等同于質(zhì)量1。對于剩余1%的質(zhì)量來源，則需要希格斯機制來解釋。希格斯場充滿整個宇宙，希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)，夸克和電子等基本粒子與希格斯粒子相互作用，發(fā)生減速從而獲得質(zhì)量。

二、質(zhì)量產(chǎn)生的物理機制

（一）強相互作用與原子核質(zhì)量

強相互作用在原子核質(zhì)量產(chǎn)生中起到關(guān)鍵作用。在原子核內(nèi)部，質(zhì)子都帶正電，按照同種電荷相排斥的原理，它們本應(yīng)相互排斥，但強相互作用克服了這種電磁排斥力，將質(zhì)子和中子緊密地束縛在一起形成原子核。這種強大的束縛力產(chǎn)生的能量巨大，依據(jù)質(zhì)能方程E = mc2，這些能量轉(zhuǎn)化為了質(zhì)量，占據(jù)了原子核質(zhì)量的99%。例如，當(dāng)強相互作用力將夸克束縛在一起形成質(zhì)子和中子時，產(chǎn)生的能量按照質(zhì)能方程轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。這一過程體現(xiàn)了能量與質(zhì)量的等價性在原子核層面的體現(xiàn)。

（二）希格斯機制與基本粒子質(zhì)量

希格斯機制是解釋基本粒子質(zhì)量起源的重要物理機制。希格斯場無處不在地充滿整個宇宙。除光子、膠子等少數(shù)粒子外，其他基本粒子（如夸克、電子等）在希格斯場中運動時，會與希格斯玻色子發(fā)生相互作用。形象地說，就像粒子在一種“阻力介質(zhì)”中運動而受到阻礙，這種阻礙導(dǎo)致粒子獲得了質(zhì)量。不同的粒子與希格斯場的相互作用強度不同，所以獲得的質(zhì)量也不同。例如，通過這種機制，基本粒子（如夸克和電子）獲得了它們那部分占原子核質(zhì)量1%的質(zhì)量來源。并且，希格斯玻色子自身也會從希格斯場的振動中，通過自耦合而獲得質(zhì)量。

三、物質(zhì)質(zhì)量的起源理論

（一）希格斯理論

希格斯理論認為物質(zhì)質(zhì)量起源于希格斯場。在宇宙大爆炸之后，希格斯場就填滿了整個宇宙空間?；玖Ｗ釉谙８袼箞鲋写┬袝r，與希格斯場相互作用從而獲得質(zhì)量。希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)，它的存在驗證了希格斯機制。就像前面提到的，粒子在希格斯場中的運動如同在糖水中游泳受到阻力而變得遲緩，這種遲緩就表現(xiàn)為粒子獲得了質(zhì)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論，宇宙空間各處充滿希格斯場，希格斯場源于希格斯機制應(yīng)用了自發(fā)對稱性破缺，使基本粒子獲得質(zhì)量。例如，在大爆炸之后溫度降低的過程中，希格斯場會在空間中“凝聚”出一個非0的場值（希格斯場的真空期望值），不同粒子在這個“凝聚”狀態(tài)下的希格斯場中因加速運動受到不同阻力而獲得不同質(zhì)量。

（二）量子色動力學(xué)（QCD）與夸克禁閉

量子色動力學(xué)（QCD）在解釋物質(zhì)質(zhì)量起源方面也有重要意義。它主要描述夸克之間的強相互作用?？淇司哂幸环N叫色荷的性質(zhì)，存在三種類型（紅色、綠色和藍色）。根據(jù)QCD理論，自然討厭凈色荷，夸克會聚集虛膠子。在質(zhì)子和中子內(nèi)部，夸克被強相互作用緊緊束縛在一起，形成一種夸克禁閉的狀態(tài)。這種束縛夸克的強相互作用產(chǎn)生的能量按照質(zhì)能方程轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，這也是原子核質(zhì)量的重要組成部分。同時，質(zhì)子與中子的質(zhì)量起源除了來自希格斯機制的夸克質(zhì)量，還有夸克凝聚的貢獻，其中包括夸克質(zhì)量的貢獻、夸克動能的貢獻、膠子動能的貢獻和膠子的跡反常的貢獻。

四、關(guān)于物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生的科學(xué)研究

（一）理論研究

1. 規(guī)范場理論與質(zhì)量起源 規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)中非常重要的理論框架，在研究物質(zhì)質(zhì)量起源方面發(fā)揮了重要作用。例如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范場理論，基本粒子本應(yīng)沒有質(zhì)量，但在實驗中光子無質(zhì)量，而傳遞弱相互作用的Z玻色子和W玻色子卻是有質(zhì)量的。這促使科學(xué)家不斷探索質(zhì)量起源的機制，最終引出了希格斯機制等理論來解釋這種矛盾現(xiàn)象。規(guī)范場理論中的楊 - 米爾斯理論（由楊振寧和米爾斯提出）對強力、弱力等相互作用進行了描述，強相互作用是把膠子扔來扔去，弱相互作用是把W玻色子和Z玻色子扔來扔去，電磁相互作用是把光子扔來扔去，這有助于理解基本粒子間的相互作用與質(zhì)量的關(guān)系。

2. 希格斯機制相關(guān)研究 希格斯機制自提出以來，一直是理論研究的熱點。科學(xué)家們深入研究希格斯場的性質(zhì)、希格斯玻色子的特性及其與其他基本粒子的相互作用。例如，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，研究不同基本粒子與希格斯場相互作用強度如何決定粒子質(zhì)量的大??；探討希格斯玻色子的自耦合性質(zhì)以及它如何從希格斯場的振動中獲得質(zhì)量。同時，對于希格斯場的量子特性、它在宇宙早期演化過程中的作用等方面也有諸多理論研究。

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（二）實驗研究

1. 大型強子對撞機（LHC）實驗 大型強子對撞機在探索物質(zhì)質(zhì)量起源方面起到了關(guān)鍵的實驗驗證作用。2012年7月4日，歐洲核子中心大型強子對撞機上的ATLAS和CMS實驗組聯(lián)合宣布發(fā)現(xiàn)了一個標(biāo)量粒子，其性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言的希格斯粒子初步吻合，隨后被大量實驗數(shù)據(jù)進一步證實。這一發(fā)現(xiàn)為希格斯機制提供了直接的實驗證據(jù)，證明了希格斯場和希格斯玻色子在物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生中的關(guān)鍵作用。通過對撞機將質(zhì)子等粒子加速到極高能量并使其對撞，從而產(chǎn)生新的粒子，科學(xué)家可以研究這些新粒子的性質(zhì)，探索質(zhì)量起源相關(guān)的物理現(xiàn)象，例如研究希格斯玻色子的散射與衰變過程，精確測量相關(guān)物理量，與理論計算進行對比驗證理論模型的正確性。

2. 質(zhì)子質(zhì)量起源相關(guān)實驗 科學(xué)家對質(zhì)子質(zhì)量起源也進行了深入的實驗研究。例如中國科學(xué)院近代物理研究所夸克物質(zhì)研究中心陳旭榮研究員團隊在質(zhì)子質(zhì)量的起源研究中取得新進展。他們從實驗出發(fā)深入探討了質(zhì)子內(nèi)部的奇異夸克對質(zhì)子質(zhì)量的影響。通過建立質(zhì)子的量子反常能與總西格瑪項（包括輕夸克和重夸克對質(zhì)子質(zhì)量的貢獻）之間的關(guān)系，從矢量介子在近質(zhì)量閾處的光生微分截面實驗數(shù)據(jù)中提取了西格瑪項的值，結(jié)果顯示重夸克的西格瑪項值比人們之前的預(yù)期要大，這一工作進一步深化了人們對量子色動力學(xué)理論和質(zhì)量起源的理解，為未來研究質(zhì)子質(zhì)量起源問題提供了新的思路。

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五、物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生的探索歷程

（一）早期對質(zhì)量的認識

在古代，哲學(xué)家們就開始思考物質(zhì)的本質(zhì)和質(zhì)量相關(guān)的概念。古希臘先哲們?nèi)缣├账固岢鋈f物的本源是水，德謨克利特提出萬物的本源是原子和虛空，雖然受限于觀測設(shè)備，他們未能深入到現(xiàn)代意義上的質(zhì)量起源研究，但這種對物質(zhì)構(gòu)成的思考為后來的研究奠定了思想基礎(chǔ)。到了17世紀(jì)，牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，定義了質(zhì)量，這一概念構(gòu)建起了經(jīng)典物理學(xué)的大廈。18世紀(jì)，拉瓦錫提出質(zhì)量守恒定律，這是對質(zhì)量概念在化學(xué)領(lǐng)域的重要認識，表明在化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變，從側(cè)面反映了質(zhì)量的一種穩(wěn)定性屬性。

（二）微觀粒子發(fā)現(xiàn)后的探索

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，認識到原子由原子核和電子組成。之后又發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子組成，進一步深入到微觀粒子的層次。20世紀(jì)50年代，科學(xué)家通過對撞機發(fā)現(xiàn)了許多粒子，形成了所謂的“粒子幼兒園”，這些粒子的發(fā)現(xiàn)促使科學(xué)家去歸納總結(jié)它們的性質(zhì)和相互關(guān)系，進而發(fā)現(xiàn)了強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用這四種基本相互作用。這一時期的科學(xué)家還提出了規(guī)范場理論（如楊 - 米爾斯理論）試圖統(tǒng)一這些相互作用。在探索基本粒子質(zhì)量起源的過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范場理論基本粒子應(yīng)該無質(zhì)量，但實際情況并非如此，這就引出了對質(zhì)量起源更深層次的探索。

（三）希格斯機制的提出與驗證

1964年，比利時理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒、英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯等人提出了希格斯機制，認為有一種玻色子（后來被稱為希格斯玻色子）賦予了其他基本粒子以慣性，從而讓物質(zhì)具有了質(zhì)量。然而，為了驗證這一猜想，科學(xué)家們花費了將近50年的時間。直到2012年歐洲核子研究中心的大型強子對撞機實驗首次觀測到與希格斯玻色子一致的新粒子，才證實了希格斯機制的正確性，這一發(fā)現(xiàn)被譽為粒子物理學(xué)的一次重大突破，也為物質(zhì)質(zhì)量起源的研究提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。

六、物質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生的最新發(fā)現(xiàn)

（一）重夸克對質(zhì)子質(zhì)量貢獻的新認識

中國科學(xué)院近代物理研究所的研究成果顯示，質(zhì)子內(nèi)部可能存在更大質(zhì)量的夸克（如奇異夸克和粲夸克等）對質(zhì)子質(zhì)量有重要貢獻。研究通過建立質(zhì)子的量子反常能與總西格瑪項（包括輕夸克和重夸克對質(zhì)子質(zhì)量的貢獻）之間的關(guān)系，從矢量介子在近質(zhì)量閾處的光生微分截面實驗數(shù)據(jù)中提取了西格瑪項的值。結(jié)果顯示，重夸克的西格瑪項值比人們之前的預(yù)期要大，約為337兆電子伏特（偶極子擬合）和455兆電子伏特（指數(shù)擬合），約占整個質(zhì)子質(zhì)量（938兆電子伏特）的36 - 48%。這一發(fā)現(xiàn)深化了人們對質(zhì)子質(zhì)量起源的理解，表明除了傳統(tǒng)認識中的夸克質(zhì)量來源外，重夸克的貢獻不可忽視，進一步推動了量子色動力學(xué)理論的發(fā)展。

（二）反物質(zhì)超核的發(fā)現(xiàn)對質(zhì)量研究的潛在意義

2024年8月21日，中國科學(xué)院近代物理研究所仇浩研究員團隊等在參與RHIC - STAR國際合作實驗研究中，首次在相對論重離子金金碰撞中觀測到一種新的反物質(zhì)超核 - 反超氫 - 4，這是迄今實驗上發(fā)現(xiàn)的最重的反物質(zhì)超核。反超氫 - 4由一個反質(zhì)子、兩個反中子和一個反Lambda超子組成。雖然這一發(fā)現(xiàn)主要是在反物質(zhì)研究領(lǐng)域，但對于物質(zhì)質(zhì)量起源的研究也可能具有潛在意義。因為正反物質(zhì)具有對稱性，通過研究反物質(zhì)超核的質(zhì)量等性質(zhì)，可以與物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)進行對比研究，從而進一步探索質(zhì)量起源的奧秘。例如，研究團隊測量了反超氫 - 4的壽命，并與其對應(yīng)的正粒子超氫 - 4比較，在測量精度范圍內(nèi)兩者壽命沒有明顯差異，再次驗證了正反物質(zhì)性質(zhì)的對稱性，這有助于從正反物質(zhì)對比的角度來深入理解質(zhì)量的產(chǎn)生機制。