相互作用与物质质量

 

一、全面介绍:基本相互作用、核力、色荷、渐近自由与夸克禁闭

 

基本相互作用(Fundamental Interaction),是指物质间最基本的相互作用,常被称为——宇宙的基本力,或自然界的基本力。

而迄今为止,观察到的所有关于物质的物理现象,在物理学中,都可借助基本相互作用的机制——得到解释和描述。

本部分,将会详细介绍和解读,基本相互作用的概念、形成和原理,以及与之相关的发生在原子核内部的——物理作用和现象,如:夸克禁闭渐近自由

 

基本相互作用力

目前,已知的基本力有四种——强力、弱力、电磁力、引力。这些力是由不同的规范玻色子——胶子、W和Z玻色子、光子、引力子——来传递的,其方式是交换(即发射和吸收)规范玻色子,其中:

  • 强力——也称核力或强核力,是使核子结合成原子核的力,由胶子(自旋为1,有8种)传递。
  • 弱力——也称弱核力,是粒子衰变过程中的力,会影响所有的费米子,由W和Z玻色子(自旋为1,有3种)传递。
  • 电磁力——是带电粒子在电磁场中产生的力,由光子(自旋为1,有1种)传递。
  • 引力——也称重力子,是具有质量的物体之间的力,由引力子(自旋为2,有1种,未证实)传递。

需要说明的是,交换玻色子,即是在发射吸收玻色子,而玻色子又具有波粒二象性,那么更准确的说,交换玻色子——其实是在发射和吸收“概率云”,因此称之为“相互作用”比“力”更为贴切,这也是关于微观作用力很重要的一个物理图像

那么在微观尺度上,强力是最强的相互作用,其次是电磁力,然后是弱力,最弱的就是引力——弱到几乎可以忽略不计。

具体来看,强力电磁力的10^3倍,是弱力的10^13倍,是引力的10^39倍。也就是说,电磁力不足强力的百分之一,弱力大概比电磁力还弱一千倍,而引力只是弱力的一千亿亿亿亿(即10^35)分之一。

最后,还有一个特殊的基本相互作用,即:简并压力,它表现出互斥作用,但它不是一种力,后面会介绍。

强力

它维系着原子核的稳定,这是构成底层物质结构的基础,过程是夸克之间通过交换胶子产生的强相互作用而结合在一起,形成稳定的复合粒子,即核子——构成原子核的粒子,如质子、中子。

事实上,正是由于强力电磁力强很多,才能把很多同样带正电的质子,强行聚集在原子核里,否则带正电的质子,会因为电磁斥力而相互远离。但强力是短程力,一旦核子之间的距离大于2×10^-15m,强力就会迅速下降消失。

弱力

它则是复合粒子(如核子)自发衰变的原因,即放射性表现。在衰变过程中,复合粒子会通过交换W和Z玻色子(W+带正电荷,W-带负电荷,Z0无电荷),从而衰变成其它粒子。

例如,中子的三个夸克是——“上下下”,质子的三个夸克是“上上下”。自由的中子是不稳定的,它会在负β衰变中通过弱相互作用——其中一个下夸克,发射W-玻色子,成为上夸克,即夸克味变——衰变为质子,接着W-玻色子迅速衰变成,一个电子(β粒子)和一个反中微子。

而这个中子衰变是可逆的过程,在一定条件下,质子会在正β衰变中通过弱相互作用——其中一个上夸克,吸收能量,发射W+玻色子,成为下夸克——衰变为中子,接着W+玻色子迅速衰变成,一个正电子和一个中微子。

以上两个衰变过程简述为:

  • 负β衰变是——下夸克 = 上夸克 + 电子 + 反中微子
  • 正β衰变是——上夸克 + 能量 = 下夸克 + 正电子 + 中微子

β衰变——原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变,其中:

  • 放出电子的衰变过程称为β-负衰变。
  • 放出正电子的衰变过程称为β+正衰变

由此可见,中子和质子可以看作是同一种粒子(核子)的两个不同的量子状态,它们之间的相互转变,相当于核子从一个量子态跃迁到另一个量子态,在跃迁过程中放出了电子和中微子。而引起β衰变的,正是电子与中微子场,同原子核的弱相互作用,即弱力

那么,弱力之所以称为“弱”,是因为弱力发生的概率,要比强力和电磁力小几个数量级。也就是说,交换W和Z玻色子的发生概率,要远远小于交换胶子光子的概率。而W和Z玻色子中的W是Weak(弱)的意思,Z是Zero(Z0电荷)的意思。

最后,在太阳的核聚变中,弱力有着至关重要的作用,因为它能够让质子衰变成中子,从而让两个原子核中质子和中子聚合——完成氢聚变成氦(这是太阳核聚变链条的第一步),否则质子同电性相斥,原子核之间难以聚合。

电磁力

它是带电粒子在电磁场中,交换光子所产生的力。在量子电动力学中,电磁场被认为是量子化的光子场,正反带电粒子对可以湮没而转化为光子,同样正反带电粒子,也可以在电磁场中产生。

而电磁力,也是电力和磁力的统称,通过电磁场,它能够让——原子核和电子粘合成原子,原子粘合成分子(化学键),分子粘合成物体(固液气、生物非生物)——如果没有电磁力,很多宏观物体都会四分五裂,并且要想参加化学反应,也必须有电磁力才行。

事实上,化学键就是电磁场形成的物质,化学反应就是电磁场能量的吸收与释放——而电磁场没有质量,所以化学反应前后质量守恒

可见,电磁力贡献了宏观的——化学键的作用力、分子间作用力、表面张力、静电力等等——可以说,生命及其运作,包括绝大部分的能量转化,其实都是依赖电磁力的作用。

引力

目前看来,它是一种宏观力,在微观忽略不计。而引力子,就是一种假想的规范玻色子(自旋2),就像其它规范玻色子一样,在微观可以通过交换引力子来产生引力——就像其它三种力(强弱电)一样。

显然,在宏观引力与质量成正比,而在微观,粒子质量都极小,并且三种微观力(强弱电)都比引力强太多,所以微观粒子的“可观测”引力,都“弱小”到了忽略不计的程度。

但如果引力,是来自于引力子的作用,那引力场的吸引力(如光线弯曲),就不再需要(广相的)时空弯曲(以形成路径弯曲)来解释,而是可以解释为,引力子和其它粒子(如光子)之间的相互作用,只不过目前引力子并没有被证实存在。

而假想出引力子,就是因为量子论在各方面都非常成功,完美解释了其它三种力及其作用机制,自然人们就希望量子论可以解释引力——从而可以完美解释自然界的所有四种力(强弱电引)。

于是,就引出了量子引力理论引力子,但是量子场论的重整化数学计算,其结果都不能完整并自洽的对引力进行量子化描述——这种问题只有在普朗克尺度下才会明显表现出来。

量子场论——是狭义相对论(质能转换)、量子力学(概率和不确定性)、以及经典场论(相互作用的场模型),三者相结合的产物,又称相对论量子场论

原因就在于,当试图引入“虚拟”的引力子,进行引力场的量子化计算时,因为引力子会相互吸引,而把所有的吸引力累加起来,总会得到许许多多的无限大数值,且通过任何数学技巧,都无法抵消掉这些无限大的数值。

后来,物理学家才意识到,无限大结果的出现,说明我们把理论运用到了,超越它应用范围的地方,同时这也说明,目前的理论不够“通用”。

简并压力(Degeneracy Pressure)

这是由于,泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)指出——在费米子组成的系统中,不能有两个或两个以上的费米子,处在相同的量子态。

费米子——是自旋为半奇数粒子的统称,有复合粒子与基本粒子,如电子、质子。

所以,在费米子系统中,两个全同费米子,永远都不能占据同一个位置。

例如,在原子中,核外电子就不能都挤在,同一个层级的轨道上,否则就会出现相同量子态的费米子电子。

虽然不相容原理,的确可以让费米子的位置排列,表现出一种“互斥力”的样子,但简并压力并不是一种力——因为力有大小,而简并压力没有大小。

规范玻色子与希格斯玻色子

光子、引力子——都没有质量,所以它们的速度都是光速。又因为,光子在电磁场中传递,引力子在引力场中传递,所以电磁场和引力场的传播速度,都是光速。同时,没有质量意味着,它们的传递没有阻力(惯性力),传递距离可以是无限远,所以电磁力引力,都是长程力

胶子——也没有质量,在胶子场中传递,有一种叫做色荷属性。我们知道具有色荷的夸克,会因为交换胶子,而产生强力被束缚在一起。所以具有色荷的胶子之间,也会交换(即发射和吸收)胶子,并产生强力

事实上,因为胶子没有质量,所以理论上它应该是光速,并且其潜在的传递距离也是无限远。但色荷属性,束缚了它的传递距离与速度,也就是说,胶子无法抵达光速,并且传递距离也有限,所以强力是一种短程力

W和Z玻色子——具有很大的质量(是质子质量的100倍,比铁原子还要重),因此质量带来的阻力(惯性力)限制了它的传递距离,所以弱力短程力

而弱电统一理论(Unified Electroweak Theory),统一了弱力电磁力,这意味着弱力电磁力,是同一个相互作用的不同表现而已。所以,W和Z玻色子——既参与弱力,也参与电磁力

弦理论专家——布赖恩·格林(Brian Greene),在《宇宙的琴弦》一书中指出:

“乔基、奎恩和温伯,发现了一个重要的事实——他们证明,当把这些沸腾的量子效应都仔细考虑进来时,结果是引力之外的三种力将走到一起来。他们认为,这些在当前技术所及的尺度上迥然不同的力,实际上是微观的量子薄雾,所产生的不同影响的结果。他们的计算表明,如果不是在寻常尺度上,而是穿过云雾,在十万亿亿亿分之一厘米(10^-29厘米,只是普朗克长度的一万倍)的距离看这三种力,它们的强度会变得完全相同。”

微观大统一理论认为——强、弱、电相互作用,可以统一成一种相互作用,而目前弱电统一理论,已经获得实验证实。

希格斯粒子——具有很大的质量(比W和Z玻色子还重),极不稳定,生成后会立刻衰变(平均寿命为1.56×10^−22秒)。而希格斯粒子所在的希格斯场,可以通过耦合作用,把质量赋予规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子)。

色荷与核力

首先,关于色荷,可以类比于电荷。

电荷只有一种类型有正负之分,而色荷有三种类型,所以用三原色RGB来命名,并且三原色可以混合出无色(也称色中性),即色荷为0,就像电荷的电中性一样。

类比来看,电子携带电荷,可以发射和吸收光子,电子之间通过交换光子,来传递电磁力;而夸克携带色荷,可以发射和吸收胶子,夸克之间通过交换胶子,来传递强力。

不同的是,光子本身不带电荷,所以光子之间就没有相互作用(电磁力),而胶子本身带色荷,所以胶子之间有相互作用(强力)——这也可以看成是胶子场的自相互作用。而夸克在交换胶子的时候,还会改变自身的色荷,即色荷的颜色。

显然,色荷性质比电荷性质要复杂的多,而色荷还产生了——渐近自由夸克禁闭

另外,我们可以将电荷、磁荷、色荷,或者别的什么更一般的荷,统称为——力荷(Force Charge),即:粒子具有的,对某种力的作用产生一定响应的性质。

例如,粒子的电荷决定了它对电磁力的反应,粒子的色荷决定了它对强力的反应。

其次,核力是使核子(如质子、中子)组成原子核的力,属于强力,也是短程力。可见,强力除了胶子在夸克之间传递,还出现在了核力之中。

事实上,核力来自于复合粒子——核子,显然核子色荷为0,不能够通过胶子来传递,于是在介子理论中,由汤川势来描述核力,即:由有质量的派介子(π介子,140MeV)来传递。

汤川势——又称Yukawa势,是日本物理学家汤川秀树,20世纪30年代在他的介子理论中提出用以描述核子之间的,短程相互作用。

但有趣的是,使用派介子来传递核力,只是一种与实验结果一致的简单近似模拟,核力的最终来源还是核子中,胶子产生的强力。因为,虽然胶子无法在核子之间传递核力,但核子中的强力过剩,残存的复合强力,通过类似范德瓦尔斯力的机制,构成了核力

范德瓦尔斯力(Van Der Waals Force)——又称分子间作用力,是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。

 

渐近自由与夸克禁闭

渐近自由夸克禁闭——揭示了夸克之间的相互作用与组成形式。

所谓渐近自由,就是说携带色荷的夸克之间,如果距离越近,那么耦合常数就越小,即强力越小,而当距离任意小时,强力可以任意小,此时每个夸克几乎处在了“自由”不受强力的状态。

耦合常数(Coupling Constant)——是量子论中,相互作用强度的一种度量。例如,电荷就正比与电磁力的耦合强度,而电磁力的耦合强度使用「精细结构常数」来表示。

那么夸克禁闭,是说携带色荷的夸克无法单独存在,只能两三个组合成复合粒子(即强子),使得色荷为0。其原因就在于,夸克之间的距离增加,胶子之间的强力也会增加,最终使得多个夸克,只能被束缚在一个狭小的空间内——形成“禁闭”

而如果强行分离“禁闭”中的夸克,那么在这个过程中,就需要提供足够的能量,来对抗越来越大的强力,直到这个能量足以从真空中激发出新的夸克的时候,被分离的夸克就会与新夸克结合,形成新的粒子——继续保持夸克禁闭。所以,夸克与胶子都无法独立存在。

综上可见,渐近自由——揭示了夸克距离接近的情况,而夸克禁闭——则揭示了夸克距离较远的情况。

那么,结合这两种现象,我们可以想象这样的物理图像

夸克之间在传递交换胶子,同时胶子之间也在发射和吸收胶子,这相当于胶子在夸克之间传递的过程中,多个胶子之间在相互“强力牵拉”

于是,这就像是在夸克之间,构建了一条“弹性力线”,如果夸克之间距离接近,那么胶子数量减少,“弹性力线”就松软,即受力减小,而如果夸克之间远离,那么胶子数量增多,“弹性力线”就紧绷,即受力增大。

后记:力的传播速度

无论是宏观还是微观,相互作用的传播速度,显然都不能超过光速。

乔治·伽莫夫(George Gamow)在《从一到无穷大》一书中,就指出:

“虽然通常称为「光速」,但其实还有更好的表述,即「物理相互作用的传播速度」。因为任何作用在物质体之间的力,不论是电吸引力还是重力,都是以相同的速度在空间中进行传播的。”

但在宏观上,由于力的传播速度相对于感觉来说足够快,以至于我们下意识地觉得,力的传播不需要时间。

例如,小石子击中小木板,小木板会被击飞,而如果换成子弹,小木板则会被击穿,并不会被击飞,这是为什么呢?

这就是因为,子弹击中小木板的瞬间,力的传播需要时间,所以导致小木板产生受力不均匀,而这个“力差”又非常的大,结果就产生了结构的撕裂。

那么,对于小石子的力,虽然也会在瞬间产生受力不均匀,但这个“力差”不足以让结构撕裂,所以待到力传播至整体,就会令小木板整个运动起来。

于是同理,为什么门“轻轻一推”就可以关上,但是“重重一击”却只能听到撞击声?

这就是因为,“轻推”给与了力传播的时间,而“重击”却没有给与这个时间。

 

二、宏观质量:引力、惯性力、加速度、参考系与等效原理

 

本部分,首先将会围绕着,惯性质量引力质量的意义、作用与关系,从牛顿定律、到惯性系惯性力、到等效原理、再到相对论(包括狭相与广相),介绍诸多的相关概念物理图像

然后,将会从一个不同的视角,去重新审视质量、力、加速度物质之间的关系,并会从微观角度解构宏观质量之源。

最终,我们将会对宏观质量,有一个全面清晰与众不同的认知。

 

惯性质量

首先,牛顿提出了牛顿第二定律,并定义了惯性质量——就是物体改变运动状态难易程度的度量。

也就是说,质量越大,越难以改变运动状态,质量越小,越容易改变运动状态。

换言之,质量存在一种惯性,并且质量越大惯性越大。而惯性,就像是质量所表现出的“惰性”,或说是对加速度“抗性”,因为它总是试图保持原有的运动状态,即静止或匀速直线运动。

后来发现运动状态,可由动量变化描述,运动状态不变,即是动量不变,也就是没有加速度

在此可见,惯性质量与参考系无关,是物体内在所固有的一种性质。因此,它在性质上等同于,静质量(Rest Mass,或译作剩余质量),又称不变质量(Invariant Mass)

引力质量

接着,牛顿发现了万有引力,于是就有了引力质量——就是物体相互之间吸引力大小的度量。

也就是说,质量越大吸引力越大,质量越小吸引力越小。这种吸引力产生了,重力和重力加速度,而重力即是在地球上测量出来的重量大小。

质量为1千克的物质,受到外力9.8牛顿时所产生的重量——称为1千克重。一般常用质量单位来代替重量,隐含乘以重力加速度(mg)。

后来发现,引力由引力场产生,引力质量产生引力场,并且引力场在空间上并不均匀,会产生引力差——而这就是产生潮汐力的原因。

在此可见,引力质量其实充当了“引力的荷”,相当于是宏观的力荷,类似于微观的如电荷、磁荷、色荷等,即:引力质量决定了物体对引力的反应强度。

力荷(Force Charge)——是指粒子具有的,对某种力的作用产生一定响应的性质。例如,粒子的电荷决定了它对电磁力的反应,粒子的色荷决定了它对强力的反应。

 

惯性质量与引力质量

至此,我们可以看到,惯性质量(m = F / a)需要通过动量变化才能测得,静止的物体就没法测出惯性质量;但引力质量(m = F / g)就算静止(如在地球表面),也可以通过重力与重力加速度(常量),测出引力质量

然而,通过实验发现,引力质量惯性质量成正比例关系。

虽然,这两种质量描述的角度不同,一个是产生吸引力的能力,一个保持运动状态的能力,但如果两者的比例对一切物体相同,那么就可把它们当做同一个量来对待,因为选取一个合适的单位,就可以令比例常数为1,即:惯性质量引力质量相等。

物理学家厄缶,改进了卡文迪许的扭秤设计,证明了引力质量和惯性质量是相等的,为等效原理铺下基石。

这说明了,在引力场中,物体的加速度与其质量无关,只与引力场有关。

因为物体在引力场中,受到的吸引力就是它所受的外力,结合牛顿第二定律与万有引力(mg = GMm / r^2),那么两个公式中,物体的惯性质量引力质量相互抵消,就只剩下了与引力场有关的加速度(g = GM / r^2)。

这可以理解为,物体的引力质量越大,等效的惯性质量就越大,而惯性质量代表着对加速度的“抗性”,所以无论物体的引力质量多大,其相关的加速度,都会被“抗性”抵消,最终在引力场中,保持重力加速度恒定。

而从受力角度来看,物体在引力场中产生的万有引力(GMm / r^2),来自两个部分:一个是物体的引力质量(m),一个是引力场的引力质量(M)。

但物体的引力质量,被其自身的惯性质量给抵消了,所以物体的加速度,只与引力场的引力质量(M)有关

不过,如果物体的引力质量增加,万有引力(GMm / r^2)会因为引力质量(m)增加而增加——显然,万有引力不包含惯性质量(抵消引力质量)的“反作用”。

所以,物体在引力场中,其引力质量(m = F / g)与其受力(万有引力F)成正比——这也是测量引力质量的原理所在。

那么可见,引力场——能够让一切物体的加速度相同,即反应了:惯性质量引力质量相等的事实。

惯性系与非惯性系

运动是相对的,所以运动需要参照物参照物可以是一个物体,可以是一个区域,还可以包含相对运动的物体在其内部,最主要的是可以在参照物上建立坐标系,所以参照物又称为——参考系

参考系分为两种:惯性系非惯性系

  • 惯性系,顾名思义,就是符合惯性定律的参考系,即物体在其中的维持其惯性状态,即静止或匀速直线运动。
  • 非惯性系,显然就是不合符惯性定律的参考系,即相对于惯性系,有加速度的参考系。

那身处在一个参考系的内部,如何知道这个参考系有没有加速度呢?换言之,就是如何知道所在的参考系,是惯性系还是非惯性系呢?

最有效的办法,就是做实验,验证参考系中物体的运动,是否符合惯性定律——而这就是,在局部视角中,判断惯性系非惯性系的关键。

惯性力

非惯性系中,物体的运动不符合惯性定律,即会有加速度。

然而,根据牛顿第二定律,有加速度必然就会受力,但在局部视角中,我们看不到这个力的来源,只能看到加速度的真实存在。

例如,在加速行驶的汽车中,车上的小球会自发地加速向车尾运动;或者突然刹车,车上的小球会突然加速向车头运动;这两种情况,小球的加速度,在车内找不到施力源。

然而,从全局视角来看,物体(如小球)相对非惯性系(如汽车)有加速度,非惯性系(如汽车)相对惯性系(如地面)有加速度,这两个加速度——大小相同、方向相反。

于是,物体(如小球)的加速度刚好就“抵消”非惯性系(如汽车)的加速度,令其在惯性系(如地面)中保持惯性状态。

例如,在加速的汽车外观察,车上的小球会静止不动,直到小球撞击到车尾阻挡物,才会“被迫”和汽车一起做加速运动。

所以,在非惯性系中,物体的加速度是源于物体的惯性,即:惯性质量非惯性系加速度的“抗性”,也就是在惯性系中,惯性质量对自身加速度的“抗性”

因此,在非惯性系中,物体加速度的施力源就是——惯性质量,而这个力就称之为——惯性力

并且,惯性力惯性质量成正比,因为物体的加速度,始终与非惯性系的加速度大小相等,那么加速度恒定,惯性质量越大,物体的受力(F = ma)即惯性力,也就会越大。

同理,如果惯性质量恒定,非惯性系的加速度越大,物体的惯性力也会越大——于是,仅从惯性力的大小,是无法区分惯性质量加速度的,或说两者等效。

例如,拉动一辆静止的车,和拉动同一辆反向加速的车,会感觉后者的惯性质量更大,因为加速度对应的力,会增加惯性力的效果,从而就像拉一辆惯性质量更大的车。

显然,惯性力——是一种假想的不存在的力,因为在宏观上,惯性力不是由相互作用产生的,而是惯性质量本身的惯性性质。

惯性力的效用——却是真实的存在,其代表着阻止惯性质量运动状态改变的力,或说是保持惯性质量运动状态不变的力。

那么,综上可见,惯性力需要在非惯性系,才能体现出来,或说是在非惯性系,需要引入惯性力才能应用牛顿第二定律,否则加速度找不到施力源。

事实上,我们可以看到,非惯性系自身的受力加速度才是真实发生的,物体在非惯性系中的惯性力加速度,都是相对的。

因为从全局视角来看,物体在非惯性系中,发生碰撞之前是处在惯性状态的,而在碰撞之后,产生接触受力,物体的惯性力和惯性状态就会消失。

弱等效原理

那么,在引力质量等效于惯性质量的视角之上,经过一番思想实验,爱因斯坦提出了,弱等效原理——就是在局域,引力与惯性力,无法区分。

这里隐含的一个条件就是,引力在距离远近上并不均匀,而惯性力则是均匀的,但在无穷小的时空范围内,引力的不均匀可以近似等于均匀。

那么,与之对应的一个思想实验,就是:

  • 在引力场中静止的飞船,其中的物体会受到引力,在太空中加速的飞船,其中的物体会受到惯性力,而通过适当调整飞船的加速度,就可以让惯性力等于引力。
  • 于是在飞船中,通过力学实验就无法区分,物体受到的是引力还是惯性力,也就无法区分,飞船是在引力场中静止,还是在太空中加速。

可见在局域,引力场可以用一个加速场抵消,因为加速场即是非惯性系,它会产生与加速度反向的惯性力,从而抵消掉引力场的引力。

所以,弱等效原理,也可以描述为——在局域,引力场与加速场,无法区分力学效应。

当然,在非局域(即广域或全域),引力场不均匀,加速场均匀,两者是可以通过力学实验区分的,如只有引力场才具有潮汐力。

接下来,更进一步的一个思想实验,就是:

  • 在引力场中,飞船做自由落体运动,此时飞船中物体会受到向下的引力,同时飞船是一个向下加速的非惯性系,这个非惯性系中的物体会受到一个向上的惯性力,并且这个惯性力与引力相等,于是物体的引力与惯性力相互抵消,处在了失重的状态。
  • 而在另一个场景里, 飞船悬浮在太空之中,构成了一个惯性系,飞船中的物体同样也处在失重状态。
  • 结果在飞船之中,就无法区分,飞船是在引力场中自由下落,还是在太空中悬浮。

由此可以看出,在引力场中自由落体的参考系,是一个加速场,也是一个非惯性系,于是引力场与这个加速场就相互抵消了,所以这个非惯性系中的物体,就相当于处在了惯性系的失重状态。

那么,弱等效原理,还可以描述为——在局域,引力场与惯性场(即惯性系),无法区分力学效应

也就是说,在引力场中,通过选取一个合适的参考系(如自由落体的非惯性系),就可以抵消引力,令引力场在局域等效于惯性场

需要指出的是:

  • 引力与惯性力等效,这个惯性力来自物体,因为它处在非惯性系。
  • 引力场与加速场等效,这个加速场来自物体,所处在的非惯性系。
  • 引力场与惯性场等效,这个惯性场来自物体,自身建立的参考系。

然而,在引力场中自由落体,也可以等效于在非惯性系中自由落体,因为引力场等效加速场,加速场是非惯性系

于是可以想象,在非惯性系中,仅受惯性力的物体,从全局视角来看,其必然是处在惯性状态的——因为物体的加速运动,其实是相对非惯性系的,它并没有真正的加速度,而非惯性系本身才具有真正的加速运动。

因此,弱等效原理,又可以描述为——在局域,非惯性系与惯性系,无法区分力学效应

也就是说,在非惯性系中(如无引力加速向上的电梯),通过选取一个合适的参考系(如电梯中自由落体的非惯性系),就可以让两个惯性力相互抵消,令外层非惯性系(即电梯中)在局域(即自由落体)等效于惯性系

事实上,奥地利物理学家——马赫,曾指出:

“加速物体会受到惯性力,是由于它相对全宇宙所有物质加速,这相当于全宇宙的物质相对它做反向加速,从而对该物体施加一个作用,就是惯性力。”

爱因斯坦把这个思想称为——“马赫原理”,并从中得到了巨大的(构建相对论的)直觉性启发。

强等效原理

更进一步,爱因斯坦假设了,强等效原理——就是在局域,引力场与惯性场,无法区分物理学效应。等价的描述有:

  • 在局域,引力场与加速场,无法区分物理学效应。
  • 在局域,非惯性系与惯性系,无法区分物理学效应。

那么,“强弱-等效原理”的区别在于:

  • 弱等效原理——是引力惯性力在无穷小时空等效,即力的等效,被引力质量惯性质量等效试验,所直接证实。
  • 强等效原理——是引力场惯性场在无穷小时空等效——不仅仅是力,而是参考系内的一切物理规律等效。

由此可见,弱等效原理——不能代表时空等效,而强等效原理——则可以代表在无穷小处的时空等效。

那么,如果无穷小的时空等效,由无穷小的时空组成的全域时空,也就是等效的。也就是说,局域惯性系组合起来等效于全域非惯性系。或说,局域惯性系组成了全域非惯性系

因此,时空中只有一个非惯性系——它由无穷小的惯性系组成。

所以,一切坐标系都是平权的,即客观的物理规律,应该在任意坐标系下均有效,且应是协变的——这就是“广义协变性原理”,也称为“广义相对性原理”

于是,惯性系的物理规律——由狭义相对论描述,也就可以应用于非惯性系与引力场。这就是惯性系、非惯性系、引力场的“平权”,也是物理规律的普适性,或说“对称性”

事实上,强等效原理的深刻洞见还在于:在引力场中,通过选取合适的加速参考系,就可以抵消引力,从而让引力在局域消失,并最终在全域消失

试想在引力场中,以具有惯性力(如自由落体)的物体建立参考系,这个物体处在了失重状态的惯性系,说明了什么?

其实这说明了,在每个局域的引力与惯性力都抵消了,从而在由局域组成的全域,物体也就不再受力了。

可是从全局视角来看,物体仍在引力场中做匀加速运动,是何解?

要知道,全域是由多个局域组成,每个局域都是惯性系(即没有力与加速度),那么全域的引力与加速度,是如何从多个局域惯性系之中涌现而来的呢?

此时,爱因斯坦的想象力发挥了作用,他认为引力根本就不存在,引力场是时空几何结构弯曲的产物,物体的自由落体运动,其实就是在时空弯曲结构中,沿着测地线不受力的自由运动,而这就是处在了——四维时空的惯性系

测地线——是空间中两点的最短路径,是在流形上加速度为0的曲线,是时间流逝最快的路径,是时间流逝量最多的路径,是时空中世界线最长、固有时最大的路径,是物体衰老最快的路径,是光运动的路径。

如此可见,在四维时空,引力就是弯曲,直线就是曲线——只受引力的匀加速直线运动,就相当于是在平直时空,不受力的匀速直线运动——所以引力效应(即引力是弯曲的效应),其实是物体沿着时空结构的“凹痕”自由“滑动”的结果。

那么,从时空弯曲的角度来看,在无穷小的时空范围内(即惯性系中),时空曲率为0,也就是引力不存在。接下来,每个时空质点都不存在引力,而时空质点构成的几何结构,最终就涌现出了,引力的宏观表现。

时空曲率——意味着几何结构无法在二维平面展开,如球面、马鞍等,而像圆柱则可以在二维平面展开。

值得一提的是,围绕地球匀速圆周运动的飞船,会出现失重状态,这和自由落体是一样的,这说明加速度抵消了地球引力,飞船在地球弯曲的时空中,沿着测地线自由滑动。

这里的关键在于,匀速圆周运动并不匀速,它的速率不变但方向一直在变,是引力产生的向心变向加速度,在不断改变速度方向,而飞船有了向心加速度,就是一个非惯性系,其中物体的惯性力与向心加速度反向并抵消了引力,于是飞船中的一切,就处在了匀速率的失重状态。

这相当于,把自由落体速度大小的变化(方向不变),转化成了自由圆周速度方的变化(大小不变)——前者重力势能转化成了动能,后者的重力势能则抵消了动能(没有势能会飞走,没有动能会坠落)。

时空弯曲

顺理成章,爱因斯坦在强等效原理之上,构建了广义相对论——其核心就是,物质决定时空如何弯曲,时空决定物质如何运动。

也就是说,物质的引力质量,决定时空的弯曲程度,时空的弯曲程度,决定物质的运动轨迹。

由此可见,引力质量——就变成了时空弯曲程度的度量。而引力质量惯性质量等效,所以惯性质量也会与引力质量一样,对时空产生弯曲的影响。

事实上,在狭相中,只有惯性质量,并没有引力质量,但在广相中,由于引力质量等效于惯性质量,所以就消除了质量的前缀——“引力”“惯性”,只剩下一个“质量”,并重新定义了惯性系,令其组成了非惯性系,于是狭相通过局域连接到了全域,这相当于把引力和惯性力,都转移到了时空弯曲上,而时空弯曲源于——无差别的“质量”

那么,广相所描述的宏观世界——质量弯曲时空,时空指引运动——其实还代表着,宏观的不确定性

因为,时空和质量是相互影响的关系,所以在物理过程发生之前,我们并不能预先知道时空的几何结构,这导致时空结构物理过程,就变成了相互纠缠并不断变化的不确定性关系。

换言之,时空不是绝对的——因为我们的运动会“扰动”时空的变化,但时空的变化却是绝对的——这就是力的效用、加速度的表现。

例如,行星椭圆轨道的长轴,在行星每转一圈后,会有一个小小的偏移,即椭圆长轴会随着行星运动有一个慢慢转动,这称之为——“进动”,而如果是一颗恒星绕着黑洞旋转,这种在极端引力场里的轨道偏移,则被称为——“史瓦西进动”

那么“进动”,就很好的说明了,宏观运动在“扰动”时空的变化,从而影响了时空的“测地线”,进而影响了宏观运动的轨迹,接着宏观运动又再次“扰动”时空,以此循环——最终表现出来的,就是椭圆轨道长轴的不断变化。

最后,有了时空弯曲的视角,我们就可以重新看待时空——从强等效原理可知,时空中只有一个非惯性系,而非惯性系可以等效引力场,引力场可以等效时空弯曲,所以现在的结论是——时空中只有时空弯曲——它由无穷小的惯性系组成。

换言之,时空中所有的非惯性系,都要被时空弯曲取代,因为非惯性系引力场等效,两者只能统一选择一个出现。

另外,需要指出的是,爱因斯坦只提出过等效原理——“强弱”是后来的区分。

因为显然,弱等效原理已经被直接验证了,但强等效原理一直都无法被直接验证——目前依然是一个假设。原因就在于,弱等效验证力等效——比较容易,但是强等效验证一切物理规律等效——并不好设计试验。

但有趣的是,强等效原理是广相的基础,随着广相不断的被验证正确——这反而支撑了,强等效原理的正确性。

再看牛顿定律

牛顿定律,它只是一种宏观、弱场、低速、小尺度下的近似定律。

相对论牛顿定律,在视角上(以及我们的直觉上)最大的区别就在于:相对论认为,只有那些感觉不到力的物体,才能真正地说它们处在静止状态,并且这个静止状态,就是加速度的参考系。

换言之,自由落体是基准观察者,而加速度是相对于基准观察者的——自由落体是失重不受力,其加速度是把参考系设定为地球的结果,把参考系设置成自由落体(即基准观察者),就没有加速度。

例如,自由落体,直觉上是在加速运动,但其实处在失重不受力的状态(感受不到引力),所以这是静止的(引力与惯性力抵消了);相反坐在地面或板凳上,直觉上是静止的,但其实处在受力状态(感受到支撑力),所以这(在受力方向上)不是静止的,它相对于自由落体那个参考系具有加速运动。

因此,不是苹果砸中了牛顿,而是牛顿加速撞上了苹果。

也就是说,自由落体具有相对加速度——就像静止在加速汽车里的小球(汽车有速度但与小球还没接触);而地球具有绝对加速度——就像有加速度受力的汽车(把汽车看成静止就是小球在加速运动)。

可见,受力产生加速场,质量产生引力场,受力与质量——前者是宏观的相互作用,后者是微观的相互作用——两者的关系与加速场和引力场是一样的,只不过直觉上,受力加速场是在运动,质量引力场是在静止,但不要忘了,运动静止是相对的(有关参考系的选择),而受力与质量是绝对的(无关参考系的选择)。

从另一个角度说,自由落体意味着在时空弯曲中滑动,而时空弯曲来源于质量绝对加速度相对于自由落体,就是相对于宇宙中所有质量所决定的时空弯曲。

换言之,你从加速度中所感受到的受力,实际上是宇宙中所有质量的一种累加效果,即:你相对于整个宇宙变化,并受到了反作用力,这是整个宇宙的绝对变化

那相对论,为什么要把不受力没有加速度的状态,设定为静止参考系?

因为不受力没有加速度,就没有绝对性,一切都是相对的,而受力有加速度,就会有绝对效应,如绝对时间膨胀。

最后,相对论牛顿定律,在引力模型上的关键区别,就在于:

  • 前者认为,引力传递需要时间——因为时空涟漪的传递需要时间,类似石头在水面产生的涟漪;
  • 后者认为,引力传递不需要时间——但引力波已经证明了相对论模型的准确性。

不过,对于牛顿模型的实用性,就如著名理论物理学家——杰弗里·韦斯特(Geoffrey West),在《规模》一书中,所指出:

“只有当探究原子级的微小距离,或光速级的高速成为可能时,才会发现牛顿定律的预测存在重大偏差。这便促进了描述微观世界的量子力学的革命性发现,也促进了描述堪比光速的高速的相对论的出现。在这两个极端领域之外,牛顿定律依然可以适用,而且是正确的。”

力与加速度:相对性与绝对性

显然,力是绝对的,不具有对称性。因为力是相对于宇宙中所有物质的,而不是相对参考系的。这可以理解为,力的作用是改变自身的运动状态,而自身的运动状态,是一种与宇宙整体状态相关的绝对变化。

那么,受力就会产生加速度,加速度即是运动状态的改变,所以加速度也具有不对称性

例如,A受力有加速度B静止,并不等同于,A静止B有相对加速度——因为A受力是相对宇宙整体的,而B相对宇宙整体始终不受力——因此,A会产生绝对时间膨胀,B则不会。

然而,加速度的相对性,需要分两种情况来看:

第一,相对于惯性系,加速度是绝对的。

也就是说,惯性系中有加速度的物体,相对于匀速物体——无论速度是多少,加速度都是绝对的,即:速度的变化量是恒定的。

显然,这是因为惯性系中的物体,受力才会产生加速度,而力是绝对的。

第二,相对于非惯性系,加速度是相对的,但受力效用是绝对的。

也就是说,加速度之间是相对的,但只有真正受力的,才具有绝对加速度,不受力的具有相对加速度

这也可以理解为,加速度是相对于场的(场无处不在并与宇宙整体状态相关),而不是相对于任意参考系的,这和光速不变是类似的(光速没有参考系,只相对于场运动)。

那么,加速度是相对还是绝对,可以通过参考系内的力学实验测量得出。

例如,在有加速度的飞船中——相对加速度是惯性系,绝对加速度是非惯性系——进行力学实验很容易区分。

不过,绝对加速度的受力,必须是真实存在的力,而不能是——赝力,如惯性力。

例如,在非惯性系的自由落体运动,惯性力产生的加速度,就是相对加速度,因为此时物体依然保持惯性状态,其加速度是相对于参考系的相对加速度,而参考系受力产生的是绝对加速度

当然,如果认可了时空弯曲,那么引力就是——赝力,因为在引力场自由落体运动,物体处在惯性状态,其重力加速度是相对于引力场的——相对加速度,而引力场是时空弯曲的绝对效应,其等效于多个局域加速场的——绝对加速度

事实上,加速度的不对称性,也可以从等效原理看出,即:

只要我们把加速度引力场等效替换,那么拥有加速度的观察者,就相当于处在引力场中,而没有加速度的观察者,则没有处在引力场中——这显然体现出引力场不对称性

最后,加速度其实可以分解为,无加速度的切换参考系。

其原理就在于,把加速度分解成无穷多个,瞬时速度的组合,此时这些瞬时速度所在的参考系,就没有受力没有加速度,但每个参考系的速度都不同。于是加速度运动,就可以看成是,在这些参考系之间的切换,即不停地换系,而每次换系,相对速度都会变化。

那么,在此视角下,就是去除了加速度,只剩下了一系列的相对速度。这背后的意义就在于,换系会产生不同的相对速度,这在历史变化中,就一定出现过受力与加速度,否则一切都是相对静止的。

例如,宇宙源于质点的大爆炸,接着时空加速膨胀,这个过程必然就会经历,所有物质的相对静止,到不同的加速度,再到不同的相对速度。

由此,我们也可以看出——时空的变化是绝对的,这就是力的效用、加速度的表现。

综上可见,我们可以说——速度是相对的具有对称性,而加速度有相对性也有绝对性,但不具有对称性。

重新审视:宏观质量

现在,我们需要明确一个重要的概念,即:质量、力、加速度这三个量的关系,是谁决定了谁?

  • 首先,力与加速度,显然是有力才有加速度,并且力越大加速度就越大——是力决定了加速度。
  • 其次,质量越大引力就越大,没有质量就没有引力——显然是质量决定了引力。

但实际上,我们会发现,无论是引力质量还是惯性质量,都是通过力去测量的,即:通过引力去测量——引力质量,通过惯性力去测量——惯性质量。

例如,在地球上静止不动,就无法测量惯性质量,但可以通过电子秤测量引力质量;在外太空无法测量引力质量,但可以通过力与加速度,去测量惯性质量。

那么显然,没有力,就不能测出质量,因而我们可以说,引力质量——度量了引力的大小,惯性质量——度量了惯性力的大小。

所以,质量其实度量了力。

于是,质量弯曲了时空,也就可以说是——质量度量的力弯曲了时空

而时空弯曲相当于,是时间与空间的几何结构一起“被拉长”(即几何畸变),从而产生了时间膨胀与引力场。

那么,加速度来自于受力,而力又可以由质量体现,所以加速度会对应质量产生的时空弯曲

但需要指出的是,加速场是均匀的——惯性力处处相同,引力场是不均匀的——引力处处不同。所以,加速场并不完全等于引力场,于是两者的时间膨胀也是不同,对应的时空弯曲也不尽相同。

而我们可以把加速场看成是一种——均匀的引力场,因此引力场对应的时空效应,加速场都应该存在。

事实上,引力场与加速场,体现的是力场在空间中的分布,而力场在质点上表现出的相互作用,则就是引力与惯性力——由此可见,质量所度量的力,其实是力场相互作用的宏观合力。

那么,力来自于什么呢?

显然,如果物质没有变化,就不会有力,也不会有加速度。要知道,任何一个相互作用力,都会来源于一个前置的物质变化来产生,并且物质变化,最终都会来自于微观的运动。

而如果我们认可了,时间和空间都依附于物质的变化,并构成了紧密联系不可分割的时空。那么,物质与时空也就是不可分割的整体,不会存在没有物质的时空,或是没有时空的物质。

因此,物质变化,就必然会同时体现在,质量和时空之上。也就是说,质量刻画了物质变化的一个侧面,时空刻画了物质变化的另一个侧面,而两者刻画的则是同一个物质本质。

更准确地说:

  • 质量和能量——是物质的两面,即:物质总能量守恒,质量和能量可以相互转化,就像水可以在液态和气态之间相互转化。
  • 时间和空间——是物质的一面,即:在质量的一面,时间空间一同变化,就像时空弯曲,代表着时间和空间的一同弯曲,也就是,空间曲率越大,时间流逝越慢。

于是,物质变化——不仅带来了力,也同时让质量时空一起变化。所以,质量可以度量时空变化,即时空曲率,也可以度量物质变化带来的相互作用,即引力与惯性力。

可见,引力、惯性力、时空其实都是物质变化,透过质量的体现。

那么可以想象,引力质量等效惯性质量——是因为两者背后,对应了物质相同的微观变化,然后产生了不同的宏观表现,即是引力与惯性力。

解构宏观质量之源

事实上,引力和惯性力,只是一种宏观力,在微观的物质变化,还会产生其它的微观力,如强力与弱力,电磁力则贯穿了宏观与微观。所以,如果说质量度量了力,那么这个力不仅在于宏观力,也在于微观力

那么,在质量的统一视角下,宏观力微观力可以统一看成——相互作用。而相互作用又可以产生——势能,它是相互作用的物体所共有的能量。

因此,质量就是势能,其度量了存储在相互作用中的能量,即:质量 = 势能 = 宏观势能 + 微观势能,其中:

  • 宏观势能——就是宏观相互作用,如:重力势能、弹性势能、电势能、磁势能。
  • 微观势能——就是微观相互作用,如:原子能(粒子势能)、分子能(分子势能)、电磁能(带电粒子势能)。

对于微观势能,原子能——就是原子中粒子的相互作用,分子能——就是分子的相互作用,电磁能——就是原子中带电粒子电磁场的相互作用(带电粒子的运动会产生电磁场),而这三者的总能量又被称为——内能。

换言之,质量 = 宏观势能 + 内能。

需要指出的是,势能可以和动能相互转化(即能量守恒),在内能之中,会存在粒子分子动能,这些动能在运动被束缚的时候(如夸克禁闭的强力束缚),就会转化成势能

例如,分子随机运动的动能,会在撞击的时候转化成势能,接着势能又赋予分子加速度,再将势能转化为动能

那么,从内能角度来看:

  • 原子能——可以通过衰变和裂变聚变释放。
  • 分子能——可以通过化学能和热传递释放。
  • 电磁能——可以通过原子能分子能释放。

对于电磁能的释放,即产生电磁辐射:

  • 如果原子能释放——原子中带电粒子的数量就会减少,那么电磁能就会释放。
  • 如果分子能释放——原子中核外电子的运动就会改变,这对应了电磁能释放。

显然,宏观物体的原子结构分子结构非常稳定,所以其内能十分稳定,而就算分子能电磁能释放,也仅占其内能总量极小的一部分,其方式主要有以下两种:

  • 第一,分子化学键断裂,这是核外电子运动的改变,其数量没变,但会释放电磁能
  • 第二,热传导与热辐射,这是原子分子的动能改变,其数量没变,但会释放电磁能,因为原子分子内部带电粒子(如电子、质子和离子)的运动会改变。

事实上,分子间所有形式的相互作用,其底层都是来自带电粒子电磁场的相互作用,所以释放电磁能——就相当于通过传递电磁场,将内能转化为(空气及其它物体的)分子动能,即传递了分子运动——这在宏观上就是释放热能

也就是说,分子能的本质也是电磁能

然而,释放热能前后,原子分子的总数并没有减少,所以物质的质量不变——可见,化学反应之所以质量守恒,就是因为其过程只是电磁能的吸热与放热,并不涉及原子能的裂变与聚变。

不过,内能的确是减少了分子能电磁能,只不过相比于原子能,这个能量是极其微小到忽略不计的——所以物质释放电磁能后的质量,其实是“近似不变”,化学反应也只是近似质量守恒

那么,内能其实就等价于微观势能,也就是静质量,而静质量对应的能量,又被称为——静能

换言之,微观势能 = 内能 = 静能 = 原子能 + 电磁能,质量 = 宏观势能 + 静能。

事实上,这里的电磁能,就是化学能热传递(包括热传导、热对流、热辐射,不包括真空声子传热)的能量,又被称为——自由能,它代表着内能中可以利用的能量,也就是内能对外做功的能力。

例如,人体对外做功需要体能,体能就是人体的内能,其使用过程是生化反应,其吸收过程也是生化反应,其来源就是食物中的自由能——既是化学能也是电磁能

换言之,微观势能 = 内能 = 静能 = 原子能 + 自由能。

显然,原子能被极其稳定地封装在原子核之中,通常情况下是无法被利用的,除非是特殊场景下的核裂变核聚变,才可以将原子能转化为自由能使用(即质量转化为光子),其结果就是质量的减少(如太阳辐射)。

需要强调的是,虽然极其微弱,但自由能也贡献了系统的静质量,因为它增加了系统中粒子(包括原子分子甚至更大微粒)之间的势能——从范围来看,自由能在原子核之外,原子能在原子核之内,而原子核之内的质子、中子、以及基本粒子,它们并没有自由能,它们静质量来自它们与场的势能。

那么,再从宏观角度来看,有力就有势能加速度,而这个力的来源一定是施力物的内能,也就是说,势能是来自内能的转化。

  • 具体来说,势能可以来自电磁能转化的——化学能、电势能、磁势能等;也可以来自静能转化的——原子能与引力能。
  • 简单来说,就是物体可以通过——化学燃料、核燃料、电场、磁场、引力场等,来获得势能加速度

可见,宏观势能其实是来自微观势能的转化,并且如果转化的是电磁能引力能,这相当于把内能中的自由能(即除了原子能的部分)转化成了宏观势能

不要忘了,电磁场引力场,都是没有质量可以光速传递的能量,而这个能量(电磁能引力能)可以转化为势能——事实上,引力能在微观的来源目前并不明确(引力子未被确认),其宏观表现就是引力势能,在地表附近等于重力势能,即:重力是引力的分力,引力 = 重力 + 自转向心力。

换言之,质量 = (转化的)宏观势能(电磁能、引力能)+(固有的)微观势能。

事实上,如果物体不受力,那么其质量就等于静能,但无法测量这个静能,而一旦物体受力,其静能就会抵抗加速度,表现出的就是惯性力,而物体在引力场中,其静能对引力场的反应,表现出的就是引力

可见,惯性质量引力质量,就是静能的宏观体现。

那么,对于一个受力物体来说,它不仅有静能,还有由力产生的势能,这个势能通常是来自施力物的电磁能引力能,于是这个电磁能引力能,就会体现在质量之中。

换言之,质量 = 电磁能 + 引力能 + 静能,前两者是宏观势能,后者是微观势能。

例如,物体离开地面获得重力势能,这个势能来自引力能,相当于增加了质量(即质量 = 引力能 + 静能),但要获得这个势能,需要将物体带离开地面,这就需要向物体输入能量,通常是电磁能,所以增加的质量相当于来自电磁能(即质量 = 电磁能 + 静能)。

当然,如果势能通过加速度转化成了动能,虽然能量守恒,但势能对应的质量就转化为了能量,此时并不相当于增加了质量

例如,汽车消耗化学能获得加速度,相当于受力获得势能——化学反应用自由能转化了电磁能,同时几乎不减少静质,即:质量 = 电磁能(势能)+ 静能——但汽车的势能转化为了动能,所以质量先是增加,再逐渐转化成动能——不过,增加的质量会越来越大,因为动能越大,加速需要的势能(化学能)就越大,从而连续来看,质量是在加速过程中,持续增加的——直到停止加速,势能消失,质量恢复到静能

事实上,尽管势能动能,都可以让物体的运动状态更难以改变,如向左加速运动(势能)或匀速运动(动能)都会增大向右运动的难度——但两者却有着本质的区别。

因为,势能是绝对的与参考系(及速度)无关,而动能是相对的与参考系(及速度)有关,即:相对静止时,势能可以不同,但动能一定相同。

  • 例如,两个相同质量的铁钉和木钉,同时静止在一块磁铁之上,那么铁钉有磁势能,表现出的质量就更大。
  • 例如,两个相同的橡皮筋,相对静止但有一个被拉长,那么被拉长的具有弹性势能,表现出的质量就更大。

事实上,这也是质量能量的区别所在——可以说“质量-势能”存储了“能量-动能”——而只要将“能量-动能”限制束缚在特定的空间内,它就相当于被存储起来,即转化成“质量-势能”

那么,光子没有“质量-势能”只有“能量-动能”,但它可以将“能量-动能”通过相互作用,传递给其它粒子,这即是电磁能

在此,需要更清晰说明的是:

第一,受力越大加速度越大,这个宏观力消耗在了微观粒子动能势能的转化上——就像用力压缩空气,气体分子运动会受限——而这个势能再次转化为动能的过程,就体现出了宏观的加速度

所以,受力与加速度的固定比例(m = F / a),可以体现出全体微观粒子对力的加速反应,即:全体粒子当前状态的加速反应积累起来,就是固定不变的质量

然而,宏观加速度越大,则意味着微观粒子的加速度也越大,即:微观势能(包括电磁能静能)越大——也就是说,受力加速度的大小,改变了电磁能静能能的大小,即:加速度越大、质量越大、粒子动能越小、时间流逝越慢——但加速度需要能量,这相当于把能量转化成了质量(势能),然后又转化为了动能

例如,物体静止在引力场中,引力加速度让物体的微观势能增大(来自引力能),时间变慢;同理,物体静止在加速场中,受力加速度让物体的微观势能增大(来自电磁能),时间变慢。

可以想象,微观粒子的势能增大、动能减小,其状态变化速度就会减小,这即是时间变慢,而状态变化速度越快,时间流逝就越快——那么,如果状态变化过快,就会释放电磁能以降低自身的动能,这相当于释放了微观势能,也就是时间的“移除”,对应了质量的转移(减少电磁能)或移除(减少静能)。

这也就是为什么,加速度可以增大惯性质量引力质量,产生时间膨胀空间弯曲的——微观原因所在。

第二,受力不一定有加速度,有加速度也不一定受力,只有具有绝对加速度,才会增加势能,即增加质量

例如,物体水平受力,但被隔板挡住无法运动(即没有加速度),此时受力与隔板反作用力抵消(合力为0),物体没有增加势能——这可以理解成,在隔板的接触面,电磁力相互抵消,物体内部粒子状态没有改变,势能也就不会改变——但如果隔板带动物体一起加速度运动,则物体处在加速场中,所以会增加势能

例如,物体远离地面静止,会增加宏观势能(重力势能)与微观势能(重力加速度),因为引力场是空间分布,所以虽然物体合外力为0,但内部粒子状态具有加速度。

例如,物体自由落体,重力势能转化为动能,引力场与加速场抵消,处于失重状态,只具有相对加速度——在广相中,这是不受力的静止状态——所以没有增加微观势能,但宏观势能在减小。

综上可见,质量就是势能,而电磁能引力能都可以增加势能——能量产生加速度,可以增加微观势能,能量不转化为动能,可以增加宏观势能——这两种势能是等价的质量,可以转化为能量。

关键是,如果没有(绝对)加速度,电磁能引力能会相互抵消,也就是受力会相互抵消,此时势能(包括宏观与微观)并不会增加。

那么显然,电磁能引力能,相比原子能是极其微小的,所以由它们转化的质量,也是极其微小的,由质能方程(m = E / c^2)就可以看出。

所以,通常我们都是把质量看成“不变量”,然后围绕着质量来计算——力(F = ma)、加速度(a = F / m)与能量(E = mv^2 / 2)——质量都被封装成了“不可分割”的原子能

但试想,如果是核能黑洞带来的势能加速度,其结果则肯定会,显著地增加质量——前者是原子能的转移,后者是引力能的转移,但这两者最终都是来自静能——可见,能量守恒,只能转移。

最后,生命及其运作都在分子层面,也就是化学反应的电磁能,并不涉及原子能,所以对生命来说,其质量只是在以原子能封装的形式转移,除非处在巨大的引力场加速场之中。

例如,生命的繁衍复制,只是由电磁能驱动的分子尺度以上的排列组合,其原子分子中封装的质量并没有发生改变——换言之,生命的生长增殖,只是由能量驱动的“质量单元”的排列组合。

再看加速度与时空弯曲

质量会弯曲时空,这个由广义相对论保证,弯曲的时空(即时空曲率不为0)会产生引力场,而根据等效原理,在局域引力场等效加速场,那么加速度会产生时空弯曲吗?

事实上,这个问题简单地回答——是或否,都不能体现出其背后的——物理逻辑,其实前文的论述已经包含了这个问题各个层面的图景,现在我们需要将零散的图景拼接起来,从六个方面,来清晰地回答这个问题。

第一,理论模型的角度来看。

如果没有引力,就是平直时空(闵氏时空,曲率为0),此时可以应用狭相;如果存在引力,就是弯曲时空(黎曼时空,曲率不为0),此时可以应用广相。

从几何角度地说,曲率代表了弯曲的程度,弯曲越大向量平行转一小圈回到起点的变动就越大,没有弯曲则没有变动。

那么,在平直时空狭相处理加速度——就是切换瞬时参考系(洛伦兹变换);在弯曲时空广相处理加速度——就是计算曲线长度(度规张量变换)。

度规张量(Metric Tensor)——简单说,就是度量空间中曲线长度的二阶张量,如果是平直时空,这个张量就是坐标处处相等的常量,如果是弯曲时空,这个张量就是与坐标相关的变量,而这个变量就是用来计算对应坐标的时空曲率的。

度规(Metric)——简单说,就是度量几何长度所需要的一组参数,其对应的几何性质与坐标系无关(显然长度与坐标系无关),但将其变换到不同的坐标系下,会有不同的数值表示(即不同的参数),称之为度规分量(用这些分量计算的长度是一致的),事实上度规只能以某个分量的形式呈现,那么如果度规参数是矩阵(即二维数组),它就是一个二阶度规张量。

张量(Tensor)——简单说,就是多维数组,如:零阶张量是标量(即零维数组,只有一个元素),一阶张量是向量(即一维数组),二阶张量是矩阵(即二维数组,数组的元素是向量),三阶张量是三维数组(即数组的元素是矩阵),四阶张量是四维数组(即数组的元素是三阶张量),以此类推到n维;但不管是几维数组,其作用就是存储数据,以供计算,仅此而已。

换言之,有加速度应用狭相——就是平直时空,有引力应用广相——就是弯曲时空,这是应用理论模型的前提约定。

在此别忘了,在广相视角下,并没有引力只有弯曲,因为引力被惯性力抵消了,也就是引力场被加速场抵消了,而只有在非惯性系才有惯性力与加速度,因此——只有弯曲,没有引力与加速度,也没有引力场与加速场。

可见,弯曲与引力、加速度同时存在,但在概念上,前者取代了后两者,即:弯曲时空不能定义非惯性系。

所以,在弯曲时空就不会有加速度,在平直时空有加速度,也不会有时空弯曲——这是概念的定义,而弯曲时空平直时空的定义,就被看成——背景时空,其决定了加速度的定义存在性

然而,弯曲即是有曲率,曲率和引力是对应关系,那么加速度曲率是什么关系呢?

第二,等效原理的角度来看。

加速场是均匀的,引力场是不均匀的,所以加速度只能在局域等效引力,在广域全域上两者并不等效——如加速场就没有潮汐力

但,如果加速度不能完全抵消引力,那引力就不能完全替换成弯曲,广相的模型就不能成立,这是怎么回事呢?

事实上,在局域无穷小的范围内,弯曲时空可以无穷接近平直,所以加速度就可以抵消引力,接着无穷多个加速度抵消无穷多个引力,就可以在无穷大的范围内,让引力消失。

可见,在较大的范围内,一个加速场当然不能抵消一个引力场,而是需要有一定数量的加速场,才可以抵消一个引力场了——但显然,以目前的技术,我们无法创造出一个“多重加速场”,来完全模拟一个引力场。

由此来看,惯性质量与引力质量,无论是在局域还是在全局都是等效的——因为,惯性力源于惯性质量无穷小有效部分的积累,引力源于引力质量无穷小有效部分的积累,两种质量都源于物质本身,其空间分布是相同的——不像引力场与加速场的空间分布不同。

那么,引力场和加速场,都可以产生绝对时间膨胀,这种时间变慢是等效的吗?

第三,时间流逝的角度来看。

不可否认,力、加速度、曲率、弧长都具有绝对性,即它们都是不随参考系变化的绝对量,并且它们都可以带来——绝对时间膨胀

在几何图像上,平直时空中加速度对应了曲线(没有加速度是直线),弯曲时空中直线就是曲线(没有曲率是直线)——曲线的弧长,具有与参考系无关的绝对大小,这就是绝对性的体现,两端点相同时曲线比直线要长,这就是绝对时间膨胀的体现。

在微观图像上,全体粒子对力的加速反应,就呈现了宏观的加速度,这个加速反应令每个粒子的势能增加动能减小,从而状态变化的速度减小,这就是宏观的时间变慢,即绝对时间膨胀的体现——虽然引力场(不均匀)与加速场(均匀)的空间分布不同,但场中的粒子都会受力,从而产生加速反应

所以,时间长度 = 时间总量 / 时间速度——而加速度(受力加速度与引力加速度),可以减少时间速度(即粒子状态变化速度),令时间长度变长,也就是时间变慢——可见相同的寿命,有加速度则衰老的更慢——当然由于空间分布不同,引力场与加速场在相同强度下,对应时间速度减少的程度,肯定会有所不同。

例如,光经过太阳的引力场会发生偏折,如果将引力场看成是均匀的加速场,其计算结果是利用广相几何弯曲计算的一半,也就是说,把不均匀的引力场等价成均匀的加速场,光的偏折角度会有2倍的误差。

第四,加速度的角度来看。

事实上,加速度与质量,都是来自相互作用的产物,而相互作用是贯穿宏观与微观的,所以加速度与质量从宏观到微观都存在,但引力在微观则不存在。

别忘了,在无穷小的时空,广相是失效的,即:在量子尺度,没有连续的几何结构、没有引力、没有弯曲——这也是目前量子力学与广相不兼容的地方,但量子力学与狭相兼容,所以加速度的理论存在范围,是超越了引力与弯曲的。

那么,把引力场看成一个不均匀的加速场,把引力场对应的时空效应,看成是引力加速度的原因,这可能是更本质的微观视角——微观,是最可能统一所有相互作用的视角。

第五,物理现象的角度来看。

静止或匀速的黑洞无法产生引力波,有巨大加速度的黑洞,才可能产生引力波,而引力波就是时空弯曲的涟漪——会以光速传递时空曲率,并且只要加速度一直存在,引力波就会不断产生。

事实上,质量会产生曲率,质量的位移必然会带来曲率的位移,但没有加速度,曲率就不会以引力波的形式传递,原因就在于,加速度对应的势能,会以引力波的形式释放能量。

可见,引力波传递的是曲率,也就是质量效应——这是源于产生加速度的势能。

那么,另一个与加速度有关的有趣现象,就是——安鲁效应(Unruh Effect),即:

一个加速观察者,可以观察到惯性观察者无法看到的“热浴”,如黑体辐射——换言之,有加速度的观察者,会觉得宇宙背景是温暖的,或说有加速度的温度计,会记录到加速度贡献的非零温度。

在微观上,安鲁效应也会导致,加速度粒子的衰变率与惯性粒子不同,如:当具有足够高的加速度时,电子可能有一定的概率跃迁到更高质量的状态。

所以,加速度对应了——宏观的时空变化,微观的状态变化——这变化就在于能量的大小。

第六,能量转化的角度来看。

回到问题,有加速度就会产生时空曲率吗?

答案是并不一定,这不仅在于能量的大小,还在于能量的来源。

例如,飞船利用化学燃料获得加速度,但化学能的能量有限,很难对时空产生显著影响,而如果是核燃料,虽然会有较大的能量来影响时空,但核燃料自身会减少质量,从而减少相应的时空影响(质量对应曲率)。

那么加速度的关键——是它不能凭空产生,一定要来自能量转化(即动能转化到势能),而它背后的能量(即势能)才是时空影响的来源。

例如,双黑洞合并的过程,是两个黑洞在彼此的时空弯曲中相互绕转靠近(即轨道衰减),加速的能量来自势能转化,这个势能十分巨大,除了转化成黑洞的动能,还有一部分就会以引力波的形式释放,而当黑洞合并之后,减少的质量(即微观势能),也会以引力波的形式释放。

事实上,引力波还需要运动不对称性——不能球形对称(如球体的膨胀或收缩),或旋转对称(如圆盘或球体的旋转)——才能产生,因为不对称性会带来运动阻力,从而令势能无法转化为动能,进而转化为引力波,才能保持能量守恒。

在此别忘了,能量是相对的也就是对称的,质量是对称性破缺的产物,而势能加速度曲率引力波——都不具有对称性,并且质量势能——都存储了能量

所以,质量表现出——曲率引力波,其实是能量不对称(不均匀),并试图趋向对称(均匀)的表现——这会带来相互作用,即势能加速度

回到广相,一个质点具有加速度,那么说明与这个质点相互作用的能量,在时空上分布不均匀,这则意味着时空不平直。

结语

从某种角度看,狭义相对论——是关于电磁力的模型,广义相对论——是关于引力的模型。

对比来看,电磁力来自电磁场——电磁场的传递是电磁波,引力来自引力场——引力场的传递是引力波电磁波引力波的传递都是光速

两者的区别在于,电磁波是在时空中传递,引力波是时空本身的传递——形象地说,如果时空是画布,那么电磁波就是画布上线条的传递,而引力波是画布本身的传递(如抓着一端抖动)。

那么,从能量角度来看,引力波可以传递势能,电磁波可以传递动能,而光速不能有质量,所以引力波电磁波都没有质量,但质量也是势能,它和引力波传递的势能是什么关系呢?

这可以理解成,势能 = 宏观势能 + 微观势能,如果前者不能转化为后者,就会转化为引力波,而后者就是粒子的势能,也就是质量。

换言之,如果势能无法转化为动能,也无法转化为静能,就会转化为引力波,也就是把势能存储到时空之中。

形象地说,向时空中抛一重物,时空就会泛起波澜,即质量的振动会产生时空的振动,而就是因为产生质量振动势能,无法完全转化为动能(质量的运动)与静能(粒子的运动),就只能转化为引力波(否则能量就会不守恒)。

再换个角度来看,电磁波引力波,都是光速都无法静止,是因为它们没有质量,也就无法存储静止的能量(即静能),但它们存储能量的方式,却是不同的,这体现在:

  • 电磁波的能量是动能,它通过相互作用将能量传递给物体,所以会出现无法穿过的情况。
  • 引力波的能量是势能,它通过时空曲率将能量传递给物体,所以可以穿过一切不可阻挡。可以想象,物体所在的时空发生振动,物体只能跟随这个振动获得势能。

可见,时空的变化是绝对的,这就是力的效用、加速度的表现,也是质量与势能的结果,即曲率及其运动。

那么试想,没有质量的时空会是怎么样的?

要么是平直时空——能量以电磁波的光速形式存在,要么是波动时空——能量以引力波的光速形式存在,也可能时空在平直波动之间相互转化,也就是在电磁波引力波之间相互转化。

而所有光子全同没有时间流逝,所以电磁波时空就会——没有距离收缩成一个质点,引力波时空则会——充满波澜却空无一物,那么两者的转化,即收缩与膨胀,在无数次的循环中,就可能意外地开启——“创世纪闪光”,接着在膨胀的过程中,能量并未转化成时空的波澜(宏观势能),而是转化成了时空中的质量(微观势能)。

 

三、微观质量:上帝粒子、希格斯机制、自发对称性破缺、及光子的奥秘

 

微观粒子的质量,到底是从何而来?为什么费米子、W玻色子、Z玻色子具有质量,而光子、胶子的质量为零?

本部分,将会详细介绍和解读——上帝粒子是什么,微观质量(即静质量)如何形成,以及在质能转化中,光子的作用和意义。

 

上帝粒子是什么

上帝粒子,其实是一个“艺名”,它的本名称为——希格斯粒子,或希格斯玻色子(Higgs Boson)——它是标准模型里的一种基本粒子,也是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷色荷,极不稳定(平均寿命为1.56×10^−22秒),生成后会立刻衰变成其它粒子。

以下,把希格斯粒子简称为“希子”

那么,之所以称希子上帝粒子,是因为寻找到它异常困难(极不稳定容易衰变),而一旦证明了它的存在,就证明了微观质量产生机制的正确性,并且它当时还是标准模型的预言中,最后一个还未被发现的粒子(2013年已经被证实存在)。

于是,为了凸显希子重要性与发现的困难性,有人就将它戏称为了——上帝粒子

诺贝尔物理学奖得主——利昂·莱德曼(Leon Lederman )在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》一书中指出,本来想给令物理学家头疼的希格斯粒子起个外号叫“Goddamn Particle”(该死的粒子),但出版商觉得不太好,随即改为了“上帝粒子”(God Particle)。

 

微观质量的来源

简单来说,微观质量最根本的来源,是由希格斯场(Higgs Field)产生的。

具体一些就是,在希格斯场中,基本粒子——规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子)会与希格斯场发生耦合(即持续地相互作用),从而获得质量。这一过程的作用机制,就被称为——希格斯机制(Higgs Mechanism)。

耦合作用(Coupling)——是两个或多个物理量之间,产生了持续地相互作用,代表着“成为一对”。这个相互作用,是物理上可以测量的效应,这个效应的强弱可以用耦合常数来表示。那么,力是相互作用,也就是耦合作用,于是力的强弱可以用耦合常数来表示。

耦合常数(Coupling Constant)——是量子论中,相互作用强度的一种度量。例如,电荷就正比与电磁力的耦合强度,而电磁力的耦合强度使用“精细结构常数”来表示。

精细结构常数——是一个数字,表示电子在第一玻尔轨道上,其运动速度和真空中光速的比值(近似为1 / 137),其含义是,电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量,或简单说是,电磁相互作用的强度。

并且同时,希子也会从希格斯场的振动中,被量子化激发,通过自耦合而获得质量。

量子化激发——根据量子场论,所有万物都是由一个或多个量子场制成,每一种基本粒子是其对应量子场的微小振动,就如同:光子是电磁场的微小振动,电子是电子场的微小振动,夸克是夸克场的微小振动,等等。

由此可见,如果希子被证实存在,则希格斯场也就应该存在,同时希格斯机制也就可以被确定基本无误了。

所以,上帝粒子——希子的确认,其最重要的意义,就是对希格斯场希格斯机制的确认——就是对微观质量(即静质量)起源之谜的最终解答。

那么,根据标准模型理论(Standard Model),宇宙空间中的各处都充满了希格斯场,并且希格斯场是源于——希格斯机制应用了自发对称性破缺,才使基本粒子获得了质量。

自发对称性破缺

那到底什么是,自发对称性破缺呢?

自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking)——是指某些物理系统,遵守自然规律的某种对称性,但是其系统本身却不具有这种对称性,这是一种自发性过程(Spontaneous Process)。

举一个简单的例子:

一个抛硬币系统,正反面是等概率的——这是自然规律(即由数学描述)的对称性,而一旦抛出硬币落地,正反面就确定了——此时系统本身(即物理现实)的概率就不对称了。

那么,抛硬币系统,就是遵守自然规律的对称性,但系统本身运作却不具有这种对称性。也可以理解为,数学(描述物理系统)上的对称性,在物理现实中,可能会不具有这种对称性。

可见,自发对称性破缺——是确定性,从概率的对称性中,随机显现出来,形成不对称性的过程——这就像是一个特定的现实,从数量巨大的一系列的可能性中,随机选择拼凑而来,接着可能性转变为真实性,开放的未来变成了确定的过去,如同上帝掷出的骰子,形成了我们所说的时间之流。

然而,无限次抛硬币的统计结果,正反面又会是对称的了。

因此,我们的世界——是对称中有不对称,不对称中有对称,这完全取决于整体与局部的相对视角,即:从不对称的局部,上升到整体就会对称,再继续上升到局部,就又会不对称,如此随着视角的上升——整体与局部的不断变化——而如此往复。

但显然,宏观系统并不会,真正违背微观系统的对称性,而是表现出(对称性)破缺,因为在整体破缺的状态下,系统各部分保持的关系,对能量的要求更低,从而就会更加稳定,以在宏观普遍的存在。

例如,在生命体中,19种氨基酸惊人一致地全部呈现左旋型——除了极少数低级病毒,含有右旋型氨基酸——可见,生命对左旋型有着强烈的偏爱,而正是这种不对称,才产生了如今的生命形式。

为什么生命偏爱左手性?

1,通常认为,左右旋型,代表着两种能量的高低,而左旋型能量较低,也较稳定,容易形成生命。

2,另有观点认为,宇宙射线中的粒子,其衰变受控于弱力,而弱力是唯一与镜面不对称的基本力,于是衰变后的粒子都具有相同的左手性磁性取向,于是在长达千百万年的反复撞击下,它们使得地球早期的生命化合物,偏向了左手性。

事实上,在温度降低时,许多物理系统的相变,都会使原有系统的对称性,产生破缺。

相变——就是从一种形式转化为另一种形式,就像水能以固体(冰)形式存在,也能以液体(液态水)和气体(蒸汽)形式存在,这些都是水的相。

例如,相变会降低水分子所表现出的对称性。因为,从任何角度看,液态水看起来都是一样的——这具有旋转对称性,但固态冰具有晶体的结构,在不同方向有不同的表现——这意味着旋转对称性降低了。

物理学家(诺贝尔物理学奖得主)朗道发现:相变的本质,其实就是序和对称性的改变。

换言之,有序对称性就低,无序对称性就高,自发对称性破缺——就是结构自发从无序到有序的变化过程。

例如,铁块赋予磁性,就是让其内部增加了某种“有序”,从而出现了磁力属性,同时铁块的对称性就会下降,因为磁性具有方向,降低了旋转对称性。

那么反之,如果对称性增加,也就是从有序到无序,也就是有序下降,这就会导致结构属性的减少,因为属性来自于结构中的“有序”——而这对应了质量产生机制的逆过程。

例如,原子减少质子数和电子数,就会减少其物理属性与化学属性。

场与粒子

事实上,在量子力学里,真空并不是没有任何物质的空间,而是充满了虚粒子的。

其中,虚粒子是无质量、无法直接观测到的粒子,但它会持续地随机生成,或湮灭于空间的任意位置,产生可观测效应,即量子效应。

需要指出的是,观测效应是相互作用的结果直接观测是相互作用的本身——只要能够直接观测到,就是实粒子。

,理论上它是充满了整个宇宙的量,可以用数学上的一个函数描述——可见它并不是时空,是定义在时空上的函数。

对应到现实,有不可观测的时候,但由于量子涨落,它又会出现可以观测的时候(即通过相互作用来呈现)。所以,充满了宇宙,其实是充满了,可观测和不可观测状态的叠加状态,并会随机的展现出一个状态。

量子涨落——是指在空间任意位置,能量的暂时变化,也称量子真空涨落。从海森堡的不确定性原理,可以推导出这个结论。具体表现为,瞬间涨落得到的能量,将通过质能方程转化为,瞬时的粒子和反粒子对,然后它们很快湮灭,结果能量在平均意义上仍然没有改变。

那么,量子真空,就可以理解为场的真空态——是场能量最低的状态,此时场是不可观测的,而可观测的状态,也就是有粒子的状态——称之为场的激发态

由此可见,场的激发态产生了(实)粒子,所以可观测,场的真空态只有虚粒子,所以不可观测。而所有场和粒子,可以分为两类:

  • 一类是物质场与物质粒子,如电子场与电子。
  • 一类是规范场与规范粒子,如电磁场与光子。

于是,场就可以看成是,同类型粒子的集合,而场中的微小振动(即量子化激发),就产生了一类粒子,就如:

  • 光子是电磁场的微小振动,
  • 电子是电子场的微小振动,
  • 希子是希格斯场的微小振动。

这可以形象的理解成,向平静的湖面,扔下一个小石子,结果湖面波纹涟漪,于是平静的湖面从能量最低态(即基态)中被激发了。

希格斯机制的应用

在温度(能量)特别高,即超过大统一温度的时候,宇宙中充满遍布了——四种无质量规范玻色子和一个希格斯场

大统一温度——大约是10^29K,对比起来,太阳中心温度仅为10^7K。

而希格斯场的能量性质和形式,由希格斯势(函数)描述——它就像一个墨西哥草帽,在草帽顶部能量最大——具有旋转对称性,在草帽底部能量最小——不具有旋转对称性

旋转对称性——是指物理学定律与观测的角度无关,也是说,物理学定律认为所有的方向都是平等的。例如,你可以做一个实验,然后将所有仪器转一个角度再做一次,它们都遵从同样的定律。

想象,墨西哥草帽的帽顶有一个圆球,此时圆球具有旋转对称性——对于绕着帽子中心轴的旋转,圆球的位置不变。而圆球滚落至帽底的任意位置,不具有旋转对称性──对于绕着帽子中心轴的旋转,圆球的位置会改变,除非旋转2π(即360度)的整数倍。

如果说草帽——是希格斯势,那么圆球——就是希格斯场,即:圆球的能量分布是一个草帽的形状。并且如图,圆球处在帽顶,能量最大,无质量;圆球处在帽底,能量最小,有质量。

显然,如果希格斯场能量足够大,圆球就可以维持在顶部——具有对称性,但如果希格斯场能量不足够,圆球就会很容易滚落到底部——具有不对称性

换言之,能量越大,对称性越大,质量越小(小到没有)——圆球在帽顶;能量越小,对称性越小,质量越大(大到产生)——圆球在帽底

于是,当温度(能量)下降,直到低于大统一温度的时候,希格斯场的能量(如草帽),就很容易自发的下降(如圆球的滑落),而在能量最低的时候(如圆球来到草帽底部),希格斯场不具有对称性(如圆球不具有旋转对称性)。

因此,我们可以说,希格斯场在帽顶,此时希格斯势描述的物理系统,具有对称性——这代表着自然规律的对称性;而希格斯场在帽底,此时希格斯势描述的物理系统,其对称性就被打破了。

需要指出的是,在帽底希格斯场具有不对称性,此时希格斯场粒子场的相互作用会增大(因为不对称性带来运动阻力),而在微观场的相互作用就可以看成是一种势能,所以质量越大,也就是势能越大。

那么在物理现实中,随着温度下降,希格斯场总会趋向最低能量态,即自发抵达量子真空态。以数学来表述,希格斯场的量子真空态——就是在数学表达上的真空期望值(场可以用数学函数描述)。

希格斯场的真空期望值——就是希格斯场在最低能量态的平均值。

显然,希格斯场量子真空态并不唯一,就如圆球可以来到帽底的任意位置——这对应了无穷多个(具有相同能量)简并的最低能量态,但在这无穷多个的可能性中,只有一个最低能量态会被随机到。

简并(Degenerate Energy Level)——是指对于一个物理体系处于一个能级,所对应的可能的状态和相应波函数,并不是唯一的。

而一旦最低能量态被随机到,希格斯场(如圆球)的旋转对称性就会被打破——造成自发对称性破缺

那么,重要的是,最低能量态(只要时间足够长)就一定会被随机到,因为温度下降,高能量(低势能)会自然趋向低能量(高势能),如圆球的滑落——而这以数学来表述,就是希格斯场的真空期望值不等于0。

由此可见,是温度下降到一个特定值,让希格斯场的真空期望值不等于0,从而导致了自发对称性破缺的发生。

也就是说,理论上存在无数个可能的量子真空态,并且这些真空态在整体上是对称的,但物理现实只能选择一个,成为局部态,从而让量子真空的整体态,出现对称性破缺。

那么,在对称性破缺之后,希格斯场在希格斯势上的能量分布,即圆球在草帽上的运动模式,就会有两种:

  • 第一,圆球在帽底内沿旋转,因为帽底都是最小能量态,所以这种运动不消耗能量,这被称为——南部-戈德斯通模式(Nambu-Goldstone Mode),这种模式的运动会影响整个系统,也就是场内的粒子会出现集体协调的行为,以实现场在帽底内沿地不对称旋转。
  • 第二,圆球从帽顶到帽底或反之,需要减少或增加能量,受温度控制,这被称为——希格斯模式(Higgs Mode)。

而场能量的波动就是粒子(波粒二象性),于是南部-戈德斯通模式对应了——戈德斯通粒子(无质量),希格斯模式对应了——希子(有质量),但戈德斯通粒子并不真实存在,通过希格斯机制的相位设定,可以将其消除。

换言之,自发对称性破缺,意味着什么呢?

从随机到确定,概率给出结果,可能性变成现实,虚幻从虚无中涌现,即:希格斯场可以与粒子产生耦合作用了,而正是耦合作用,让粒子获得了质量。

其过程就是,希子就从希格斯场的振动中,被量子化激发,通过自耦合获得质量,而四种无质量规范玻色子,其中一个继续保持无质量——就是光子,另外三个会与希格斯场耦合,产生了W和Z玻色子,即:W+、W-、Z0三个有质量的规范玻色子。

由此可见,规范玻色子——胶子光子没有质量,是因为它们与希格斯场不耦合。

与此同时,无质量的费米子(夸克与轻子),也会通过与(无处不在且真空期望值不等于0的)希格斯场,发生汤川耦合,从而获得质量。

汤川耦合(Yukawa's Interaction)——在粒子物理学中,用来描述标量场与狄拉克场之间相互作用的量。

并且,汤川耦合是不同于,W和Z玻色子的耦合机制的(注意汤川耦合提出的时候,希子还没被发现)。

希格斯机制,可以促使其他种费米子获得质量。对于为什么每一种费米子,都有其特定的汤川耦合常数,希格斯机制并没有给出任何说明。标准模型里的自由参数,大多数都是汤川耦合常数。

最后,希子自耦合,又是不同于前两种耦合的——因为希子是唯一不依赖于希格斯机制,来获得质量的。

质量与希格斯场

为什么粒子与希格斯场耦合,就会获得质量?

试想,在希格斯场具有对称性,还没有激发出希子的时候,场里充满了虚粒子,不可观测也不会与任何粒子耦合。而希格斯场的对称性被打破,希子激发于场的微小振动,此时虚粒子涌现了可观测的——奥妙又玄妙的量子效应。

奥妙——复杂到难以理解。
玄妙——复杂到难以想象。

那么此时,希格斯场就可以与其它粒子产生耦合作用了。

显然,耦合有大小,即强度,称为耦合强度——可以理解为一种类似于电荷与色荷的东西,其大小与相互作用粒子的性质、类型、末态相空间等因素相关。

耦合强度可以使用耦合常数及多种因素一起来度量,其结果呈现了一种概率,即:耦合概率越大,耦合强度就越大。

相空间——在数学与物理学中,是一个用以表示出一系统所有可能状态的空间;系统每个可能的状态都有一相对应的相空间的点。

由此可见,处在希格斯场中的粒子,如果可以与场发生耦合,就会源源不断的发生相互作用——就像在水中运动的物体,会受到水分子的阻力一样,并且物体质量越大,运动受到的水阻力就越大,此时水阻力带来的就像是,物体的惯性质量一样,是阻碍物体运动状态的度量。

于是,宇宙中的遍布的希格斯场——就像是“粘稠的浓汤”,把质量以概率(即耦合强度)的形式,赋予其中的——规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子),然后这些粒子复合构建了上层的一切物质。

也就是说,质量最根本的来源,是希格斯场通过希格斯机制源源不断——“用概率生成的”

并且,这个概率越大(即耦合强度越大),质量就越大,概率越小质量就越小。显然,不同基本粒子的质量不同,就是因为与希格斯场耦合概率(即耦合强度)不同。

那么,在标准模型里,如果温度足够高(超过大统一温度),物理系统的弱电对称性没有被打破,则所有基本粒子都不具有质量。

也就是说,只有能量的高温系统,是不具有质量的——这就是大爆炸的时刻。

此时,弱电作用力强作用力会统一为电核作用力(Electronuclear Force),传递弱电作用力的玻色子(光子)与传递强作用力的玻色子(胶子)的任何特征性质也都烟消云散,它们的物理行为完全一样。

而如果温度低于一个临界值(即大统一温度),希格斯场就会变得不稳定,随即发生跃迁至最低能量态(即量子真空态);接着,整个物理系统的连续对称性因此被自发打破,从而W和Z玻色子、费米子就会获得质量——这就是大爆炸之后的冷却时刻。

此时,不同的粒子与(不同强度的)希格斯场相互作用,而粒子的质量,就是由这相互作用(即耦合强度)所决定。这样W和Z玻色子、夸克与轻子等等,分别获得其特定的质量,而光子、胶子也因此不拥有质量。

弦理论专家——布莱恩·格林,在《宇宙的琴弦》中,说道:

“格拉肖、萨拉姆和温伯格从根本上证明,在足够高的能量和温度下——如在大爆炸后的千分之一(0.01)秒内——电磁场和弱力场熔化在一起,表现出不可分辨的特征,应该更准确地叫弱电场。当温度下降(到10^15K),电磁力与弱力便结晶似地分离开来(分离的过程实际从大爆炸时就开始了),具有与高温下不同的形式——这样一个过程就是有名的「对称性破缺」”。

由此可见,在最初的时候,宇宙里其实只有一种力,它可以称之为——“大统一超对称力”,或简称——“超力”,但随着温度下降,它逐渐分化(破缺)成了四种看上去不同的力。

显然,降温就会令物理系统产生——对称性破缺,不对称就会产生质量

所以,可以说,高温是能量,低温是质量,从高温到低温的冷却过程——就是从能量质量的转化过程,不过在温度未抵达临界值的时候,此时温度下降的过程不会产生质量

至此,我们会发现,“质量”——可以不再被看成是粒子的某种属性,而被看成是“宇宙场”对称性破缺的结果,因此“引力子”或许根本就是不存在的,而引力其实是“宇宙场”的宏观统计效应。

复合粒子的质量

事实上,像质子、中子这类复合粒子的质量,只有约1%是归因于——将质量赋予夸克的希格斯机制,剩余约99%则是——夸克的动能与胶子的能量。

例如,三个夸克被胶子组合在一起,构成了一个质子,其中胶子负责传递强核力,没有质量。但我们会发现,三个夸克的质量加起来约5MeV,却远远小于一个质子的质量约938MeV,可见大约只占5%的比例。

eV(Electron Volt)——称为电子伏特,是能量单位,代表一个电子经过1V(伏特)的电位差加速后,所获得的动能。MeV是eV的一百万倍,1eV = 10^-36kg,MeV = 10^-30kg。

那么,质子除了夸克贡献的质量以外,其它95%的质量来自何处呢 ?

答案就是来自于,各种运动产生的——动质量,即:运动的能量等价的质量。换言之,能量就是运动,能量等价质量,运动产生动质量

  • 第一,夸克和胶子、胶子和胶子在强相互作用(胶子质量为0),即是胶子的发射与吸收,这个运动过程产生的能量,贡献了一部分动质量(约36%)。
  • 第二,夸克和胶子自身的运动(如自旋角动量),贡献了一部分动质量(约36%)。
  • 第三,夸克和胶子由于夸克禁闭,被困在在狭小的空间内,根据不确定性原理——位置可能性越小,动量可能性就越大——于是这些动量产生的动能,又贡献了剩下的动质量(约23%)。

另外在实验中,还发现同样是由三个夸克组成的质子,其质量约是1232MeV,这比结构相同的一般质子质量938MeV多出了很多,这多出来的质量是从哪里来的呢?

后来发现,夸克之间的强相互作用,具有渐近自由的性质即越远作用越强,于是这多出来的质量,就是夸克相距较远时,强相互作用增加的能量,减去夸克禁闭(空间变大)减少的能量,之后剩下的能量,也是动质量

最后,光子的质量,100%都是动质量,其本身没有静止时的质量。

重新审视:微观质量

我们可以看到,W和Z玻色子、夸克与轻子——拥有最根本的“希格斯质量”,其中:夸克参与四种力(强、、电、引)的相互作用,轻子参与了三种力(、电、引)的相互作用。

然后,粒子的衰变有——α衰变、β衰变、γ(伽马)衰变,其中:

  • α衰变——是强力的作用,粒子质量减少。
  • β衰变——是弱力的作用,粒子质量减少。
  • γ衰变——是电磁力的作用,粒子质量不变,通常在α与β衰变后发生,辐射高频电磁波,即高能光子,显然这些光子的能量,是来自于α与β衰变产生的质量减少。

而夸克只能通过弱力(W玻色子),来进行衰变,即味变。

另外,弱力还会影响希子,是除引力外唯一对中微子有效的相互作用,还是唯一能令宇称不守恒的相互作用——这是一种对称性破缺(质量也是诞生于一种对称性破缺)。

宇称——是一种空间变换性质,可简单理解为“左右对称”或“镜像对称”。
宇称不守恒——是指在弱相互作用中,互为镜像的物质的运动不对称。
宇称守恒——是指在任何情况下,任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外,具有完全相同的性质。

由此可见,夸克和轻子(属于基本粒子)的衰变——产生质量减少, 主要是因为弱力。因为电磁力相关的衰变,没有质量减少,而强力相关的衰变,主要在于强子之间,强子是复合粒子,不是基本粒子,如质子、中子。

日本超级神冈(Super-Kamiokande)切伦科夫辐射探测器实验,提供了质子半衰期的一个下限为6.6×10^33年。

接着,弱电统一理论( Unified Electroweak Theory)表明——弱力和电磁力,是同一个相互作用的不同表现。其中弱力关联着W和Z玻色子,关联着质量减少电磁力关联着光子,光子又没有质量。

要知道,对称性破缺带来了质量,也使得弱力与电磁力分离,那么这个逆过程,就是在弱电统一的相互作用中,W和Z玻色子与光子,共同完成了质量的转化——从有到无。

于是我们看到,希子带来的质量赋予了W和Z玻色子、轻子、夸克,然后轻子和夸克又与W和Z玻色子通过弱力,衰变为无质量的光子。

事实上,除了核衰变,核裂变核聚变的过程,其实也都是质量转化为能量的过程。这其中:

  • 衰变——是自发的进行的。
  • 裂变——自发进行的概率很低,在一定条件下,人类可以控制激发。
  • 聚变——只有在超高温和高压(如太阳内部)的条件下才能进行,人类难以控制激发。

但只要微观粒子质量减少,就一定会伴随着不同频率的光子产生,而光子无质量,其能量可由E=hv(h是普朗克常数,v是电磁波频率)计算。

至此,我们可以发现,其实是W和Z玻色子“剥夺”(或说占用)了夸克与轻子的质量——这就像是质量按照“某种概率”下的比例,在进行自发转化。

因为在希格斯场中,是W和Z玻色子以耦合概率(即耦合强度)的形式,把本应该赋予给夸克与轻子的质量——“剥夺”,然后通过弱电相互作用(即弱力与电磁力),转化成了光子,从而完成了——从质量到能量的转化路径。

换言之,希格斯场本来和费米子相互作用,使其获得质量,但希格斯场偶然也会和W和Z玻色子相互作用,把本来赋予费米子的质量,转给了W和Z玻色子,接着W和Z玻色子衰变成了光子。

所以,只要有弱力参与,那么粒子的质量,最终就会转化为——光子所代表的能量。

最后,我们知道,是费米子构成了宏观物质的结构,如果费米子中的基本粒子——夸克与轻子,它们的质量消失(转化为光子),那么上层的一切物质结构,就都会一同消失。

再看光子与质量

有质量就无法抵达光速,质量越小就越可以接近光速——如中微子,而没有质量就可以抵达光速——如光子。

现在我们知道,光子与胶子不和希格斯场耦合,所以没有质量,而其它费米子有质量,因为它们与希格斯场耦合。并且,微观粒子有弱力相互作用,就会减少质量,发射无质量的光子。

而关于光子,还有如下的观测事实:

  • 首先,电子向更小的不同轨道跃迁,会发射不同频率的光子
  • 其次,原子吸收不同的能量,会发射不同频率的光子
  • 接着光子不同频率的能量(E = hv),等同于电子轨道差的能量。
  • 然后,物质内部的原子,它们不同轨道的电子,时刻都在辐射出光子,这些光子组成了物质独一无二的光谱(Spectrum),这个过程也被称为——热辐射。
  • 最后,光能其实是,电磁力传递的光子,激发物质内部原子的电子跃迁后,产生的能量。

另外,粒子都具有对称性,即:每一种粒子都有一种反粒子,而反粒子构成了反物质,与正物质相对。

反粒子——是质量、寿命、自旋与对应粒子相同,但其它所有性质(如电荷)会尽可能的相反,即大小相同符号相反。

然后,正反粒子相遇就发生湮灭,发射出光子,即:质量转化成了能量

而如果湮灭不完全(质量残留),则还会产生其它粒子——如介子。那么相反,两个高能光子碰撞时,则有可能产生一对新的正反粒子,即:能量也可以转化成质量

在“电子-正电子”碰撞中产生的光子是虚光子,所以必然会在短时间内“归还”能量,分裂成“电子-正电子”对。

事实上,如果正反物质总是成对的产生与湮灭,就不会有今天的正物质世界,但出于某种未知原因(由前文判断,可能是因为低温),物理学发现,每10亿对正反夸克湮灭,就会有一个正夸克幸存,从而最终构成了如今的正物质世界。

但,光子没有反粒子,或说光子的反粒子还是光子,即:光子是正反物质的平衡点,或说是物质的“最终形态”。

综上可见,光子承载的能量,即是质量转化的能量,而从质能方程中(E=mc^2),也能看出,质量与能量之间的关系纽带,就是光速。

能量——是一个守恒量,可以在不同形式之间转化,由运动划分为势能和动能(以及两者的混合),势能是运动的潜力,动能是运动的度量,也就说势能存储了动能的能量,这两类可以描述所有形式的能量。那么利用能量,就是释放势能中的能量,或说转化势能为动能,也就是降低能量差。

通常可利用的能量,也被称为自由能(如化学能、热能),其代表了将内能转化为对外做功的能力,而内能中不自由的能量是核能(一般难以利用),而增加或减少自由能,几乎不影响物质的质量(但实际仍有极小的影响)。

因此,我们可以把光子看成是——来到运动极限形式的“纯能量”,只要有质量,能量就“不纯”,质量就会拖累(或说抵抗)运动,使其无法抵达极限形式,而把质量释放掉,即转变成运动,那么就可以成为“纯能量”

最后,那漫天的星光,就是数不尽正在“燃烧”的恒星(如太阳),它们消耗自身的质量,释放亿万光子,照亮了深邃黑暗又无垠的宇宙——这就是当前质量转化为能量的宇宙进程。

可见,“纯能量”的世界,最终就是充满光子的汪洋,或说是“光子海”,或“光子汤”——此时,宇宙没有了时间,也就没有了距离,因为距离依赖时间才能测量,那么没有距离的宇宙,就如同一个质点(所有全同光子可视为一个),这就为一个“新宇宙”的诞生,做好了准备。

 

整理自:@scottcgi

 

作者:阿古
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来源:方舟(ark.ooo)
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