赤道和北極歌詞(對物質質量的微觀探討)

本文要講的並不是某一件產品品質的好壞，而是所有物質（包括我們自己）最基本的物理性質。

物質為什麽會有質量？這是一個很有意思的問題，我們將在本文中重點探討。

許多人會關心自己的體重，假設一個身體質量為50kg的女孩子，她在新加坡稱體重，結果會是多少呢？重量的本質是地球對物體的引力大小，因此首先我們請出萬有引力公式：

F=Gⷭ1m2/RⲀ

體重秤稱的是地球引力

其中引力常數G=6.6741㗱0⁻⹂𙠎ⷭⲯkgⲯ𜌥œ𐧐ƒ的質量m1=5.965㗱0Ⲣ𔠫g，女孩的質量m2=50kg，地球赤道半徑R=6378137m，極半徑6356752m。

將數據代入公式後可得：F = 489.31156N = 49.896 kgf

49.896kg, 看樣子要比她的實際體重輕一點。

別急！新加坡位於赤道附近，隨著地球自轉，女孩在地球赤道表麵實際上還在做離心運動，因此她同時還受到一個向上的慣性力，我們以離心運動向心力公式：

f = m𒒀

在赤道與北極稱的體重是不同的

將m=49.896 kg，地球角速度7.292㗱0⁻⁵ rad/s，R=6378137m代入公式後得到：

f = 1.6922 N =0.173 kgf

女孩子在新加坡測量的體重為：F - f = 49.896 - 0.173 = 49.72 kg

同樣在地球，這個女孩子在北極測得的體重則是：492.61N = 50.23 kg

注意到了沒？女孩在北極稱的體重要比在赤道重1斤多！

女孩子稱的並不是她的質量，而是地球的引力。如果要想知道一個物體的質量是多少，物理老師會建議你使用物理天平，它的測量結果會準確許多。

天平是測量質量的常用工具

經典物理學認為，質量是物質的量。牛頓說“質量等於物體的密度與它體積的乘積”，不同的物質有不同的密度。

在牛頓力學中，質量是量度物體慣性大小的物理量。

通過牛頓力學第二定律：F=ma，我們可以看出質量m越大的物體，我們想要改變其運動狀態所需要的力就越大，因此物體的質量m被稱為慣性質量，它是不變的，與速度大小無關。

通過牛頓的萬有引力公式我們可以發現物質的質量是產生引力的必要條件，沒有質量就沒有引力，質量越大的物體其引力就越大。因此，質量m的這種表現又被稱為引力質量。

宇宙中的所有物質都是既有慣性質量又同時有引力質量，質量是物質的最基本特性之一。

萬有引力定律體現了質量與引力的關係

對於質量，愛因斯坦有不同的看法，他認為物體的質量是它所含能量的大小，質量與能量是等效關係。這從著名的愛因斯坦質能方程可以清晰地表達：

=cⲀ

其中ΔE代表能量的變化量，Δm為質量的變化量，c為真空中的光速，它是一個規定值。

為了便於公眾理解，這個方程經常被簡寫為E=mcⲯ𜌅為能量，m為質量。

有人以此為據，說物質的質量就是能量，這是不對的。嚴格地說愛因斯坦認為在一個慣性係中，質量等效於能量，具有一定慣性質量的物體必定有相應數量的能量。質量因能量而扭曲時空，扭曲的時空又可以移動質量，當質點的運動速度很快時，質量會發生變化。

相對論認為質量扭曲時空，彎曲的時空移動質量

為什麽物體會有質量？愛因斯坦沒有說。這個答案需要從量子力學中尋找。

量子力學認為，物體之所以有質量是因為組成物體的基本粒子有裸質量，而廣義角度的物理質量則是由基本粒子間的相互作用、以及基本粒子與其周圍量子場的相互作用而產生的。

到目前為目，宇宙中所有已知的物質大到恒星、行星，小到昆蟲、細菌都是由微觀的基本粒子構成。無論是構成人體細胞的碳、氫、氧、鈣，還是用於製造手機的鐵、鋁、銅、矽等元素，它們都是由質子、中子和電子進行不同排列組合的結果。

物質之所以擁有質量，是因為構成一切元素的微觀粒子擁有物理質量。

質子的質量 = 1.6726231㗱0⁻Ⲣ𗉫g

中子的質量 = 1.6749286㗱0⁻Ⲣ𗉫g

電子的質量 = 9.118195399㗱0⁻Ⳃ𙉫g

質子與中子是由誇克“粘合”而成，其中質子由兩個上誇克與一個下誇克結合，中子由一個上誇克與兩個下誇克結合而成，誇克與誇克之間由膠子傳遞的強相互作用力結合在一起。

兩個上誇克與一個下誇克由膠子結合成一個質子

問題來了：上誇克的裸質量僅有 2.3MeV/cⲯ𜌤𘋨ꇥ…‹的質量也僅有約4.8MeV/cⲯ𜌧𕄦ˆ質子的兩個上誇克與一個下誇克的質量之和為9.4MeV/cⲯ𜌩›𛥭的等效質量為0.511MeV/cⲯ𜌀三個誇克質量之和僅為電子質量的18.4倍。而質子的實測靜止質量卻是電子的1836倍，這中間巨大的差值是從哪裏來的？

基本粒子分類以及它們的質量

按泡利不相容原理，誇克不能單獨存在，它必須與其它誇克相結合，誇克與誇克之間由膠子通過強力“粘接”。在量子規範場論標準模型中，膠子是規範玻色子，它隻負責誇克間強力的傳遞，與傳遞電磁相互作用的光子一樣，膠子本身質量必須為零。它需要從外部“借”來質量。

這個質量是由希格斯場“借出”的。

希格斯場一直被認為充滿著宇宙包括宇宙的真空。1964年，英國物理學家彼得·希格斯和他的幾位同事用純粹的數學方法證明，如果存在某種類型的宇宙背景場，那麽傳遞力的粒子就會表現得像它們有質量一樣。希格斯勢與複值希格斯場伴生，它們之間的關係就像是一頂墨西哥帽子，“帽子”底部的最低能量態可以使原本無質量的規範玻色子獲得質量。

希格斯場與希格斯勢可以使膠子獲得質量

希格斯玻色子是希格斯場所激發的粒子，物理學家們花了幾十年的時間尋找它，因為隻有找到它才能證明希格斯場的存在，進而回答為什麽浸泡著誇克的“膠子湯”擁有質量。2012年7月， 歐洲核子研究組織（CERN）宣布，他們利用昂貴的大型強子對撞機（LHC）轟擊出了希格斯玻色子，它的質量大約為126GeV/c²，至此科學家們已經確定希格斯場是存在的，並且希格斯玻色子的觀測質量符合理論計算值範圍。

強子對撞機發現希格斯玻色子

學過高中物理的人大多知道“光子沒有質量”，在量子物理中光子被定義為規範玻色子，它的靜止質量“嚴格為零”，它隻有動質量。光子的動質量是由其能量賦予的。

我在前幾天《光子靜止質量不為零對物理學的重大影響》一文中提到了廣義相對論允許光子有相對靜止質量，有的朋友不理解，因為狹義相對論認為光子的質量必須為0，廣義相對論建立在狹義相對論的基礎之上，為什麽廣義相對論又允許光子有靜止質量？特在此補充說明。

我們對愛因斯坦質能關係式進行一次推導：

光子相對靜止質量公式推導

已知η是常數，η= 5.2123×10⁻⁴⁸ g·s，ω為光的頻率，單位是Hz。

可見光的頻率範圍是10¹⁴~10¹⁵ Hz，將其代入上述公式，可以得出光子的最大靜止質量範圍在：10⁻³⁴ ~10⁻³³g之間。

一束頻率為5.0812×10¹⁴ Hz的黃光，它的光子靜止質量上限大約為2.6485×10⁻³³ g。

或許光子與膠子一樣，它的相對靜止質量也是從某個場“借來的”？我們還需要繼續探索以尋找答案。

一、重量不是質量，我們平常稱的重量隻是有質量物體與地球相互引力的度量值。

二、質量有許多種不同的表達，它的實質是物質量的度量。

三、一切物質由微觀粒子構成，微觀粒子的質量、數量以及粒子間的相互作用關係決定了物質的質量。

四、有些在理論上被定義為“靜止質量為0”的粒子，它們可以通過希格斯場的相互作用而獲得質量。

一滴水的微觀結構

本文到此結束，希望對大家有所幫助呢。