——读吉姆·巴戈特《物质是什么》一书有感

世界是有什么组成的，这个问题似乎显而易见。它不就是由我们司空见惯的日月星辰、山川河流、动物植物、人造物品等各种物质所组成的吗？那物质又有由什么所组成的呢？有关这一问题的思考和讨论，前后已经持续了2500年。

一、物质组成的探索历程

在很早的时候起，人们就对物质的组成产生了无限的好奇。我们的祖先认为，物质是有“金、木、水、火、土”等基本元素组成的，而公元前5世纪的古希腊哲学家们则认为，“物质是由在虚空中不断运动的原子组成的。物质之所以会呈现为不同的形式，是因为原子和虚空的配比以及原子之间的组合不同。这些配比和组合的变化导致物质从一种形式转变为另一种形式，而从物质中释放出的原子薄膜则引发了感官的感知。不同的原子具有不同的大小、形状、位置和重量，原子在大部分的时间里竖直下落，但有时也会“转向”，与别的原子发生碰撞。所有的原子都非常小，仅凭肉眼无法观测。”物质是由原子组成的观点，在很长的一段时间内，深刻影响着人们的思想观念，知道今天，绝大多数的人们对此依然深信不疑。

17世纪，牛顿三大运动定律以及万有引力定律的发现，引发了人们对物质、对质量更加深入的研究和思考。牛顿还提出，化学物质的原子之间存在一种作用力，正是这种作用力导致了各种各样的化学反应。18世纪是一个化学物质和原子不断被发现的世纪，氢、碳、氧等先后被发现；道尔顿设计了一套化学原子体系，使得每个原子都有一个不同的原子量；贝尔塞柳斯又对其进行了优化，形成了我们今天使用的化学体系的前身；坎尼扎罗则阐明了不同的原子结合形成分子的规律。不过，要一直等到爱因斯坦对布朗运动提出恰当的解释之后的20世纪，人们才终于相信原子和分子确实存在，承认原子是组成物质的基本单位。

接下来的发生的故事大家就耳熟能详了。首先是电子被发现，让人们意识到原子不是组成物质的最小单位，原子内部还是有结构的。接着就有卢瑟福的α粒子散射实验，证明了原子中的绝大部分是空的，原子的质量集中在一个很小的核上，电子在核外围绕着原子核旋转，就像地球等行星绕着太阳旋转一样。紧接着，质子、中子先后被发现，人们发现原子核也不是组成物质的基本单位，它也是由质子和中子组成的。

在此之后的一段时间里，更多的微观粒子先后被发现。从20世纪60年代开始，物理学家一直在构思有关物质组成的基本粒子的标准模型，以帮助大家理解在实验中发现的粒子“动物园”中各种粒子的行为。盖尔曼最初提出“夸克模型”的时候，连他自己都不敢确信，但没过多久就已经被实验证实了。现在我们知道，物质粒子可以分为三代，其中第一代由上夸克和下夸克（正是它们构成了质子和中子）、电子和电子中微子组成。到2000年为止，这三代粒子中的每一种均已在实验中被发现。2012年，希格斯玻色子的发现为粒子物理标准模型添上了最后一块砖。

还是在18世纪末期，拉瓦锡精心设计的实验让他确立起了一个重要的原则：在化学转化的过程中，质量保持不变，既不会减少也不会增加，化学反应的生成物的总质量与反应物的总质量相等。不仅仅在化学方面如此，质量守恒也是物理学的四大守恒之一（其余三个分别是电荷守恒、能量守恒和动量守恒）。在物质拆分的过程中，质量守恒也是被遵循的，分子的质量等于组成它的原子的质量之和；原子的质量等于组成它的中子、质子和电子的质量之和……一切看起来都那样顺理成章，但质子和中子由上夸克和下夸克组成，组成质子或中子的这些基本粒子的总质量只有质子或中子质量的1%。在将物质不断拆分的过程中，这些物质的形态尚在，但它们的质量却突然消失了。这期间发生了什么？

二、质量是一种行为

我们都知道，质量是物理学的基本物理量之一，质量的单位“千克”也是物理学中七个基本物理单位之一。那么，什么是质量呢，我们是如何来得到物质的质量的呢？

不同的物体，在形状、轻重等方面存在着巨大的差异，说明不同物体中所含物资的数量是不一样的。牛顿对一个物体中物质的量进行了定义，用“质量”一词来描述，并将其定义为物体的密度与体积的乘积。但在定义物质的密度时，又将其表述为质量除以体积，所以陷入了循环论证的泥潭，这样的定义自然也是存在缺陷的。

为了质量定义的自洽性，人们尝试着用其他方式来定义，马赫就是其中一位。根据牛顿第二定律，力施加物体上，会改变物体的运动状态，使物体产生加速度。根据牛顿第三定律，作用力等于反作用力，结合牛顿第二定律，在数值上可以得到了这样一个结果，m₁/m₂=a₂/a₁，通过计算两个物体碰撞后的加速度之比，就能得到两个物体惯性质量的比值。此时只要我们以其中一个物体的惯性质量为公认的标准，就可以以它为参照标准得出未知物体的惯性质量。你看，要想得到质量的定义，需要从运动的角度来审视了。可是，质量不是物质最基本的属性吗，还要借助运动来对它进行定义，是否越来越乱了？

牛顿的万有引力定律告诉我们，所有的物体都会受到引力的作用，在万有引力公式中，就包含了相互作用的两个物体的质量的乘积。是否可以用这个公式来测量物体的质量呢？实际上还真的可以。但问题又来了，在牛顿第二定律中，力是外界施加给物体的，物体在受到力的作用后运动状态才会发生改变；但在万有引力所描述的天体运行中，这个万有引力似乎就是天生的，显然和地面上物体运动受力的特点是不一样的，那根据万有引力定律所得到的物体的质量也应该与地面有所区别，物理学家将其称之为“引力质量”。你看，质量的概念不仅没有说清晰，反而越来越复杂了。尽管牛顿力学体系取得了辉煌的成果，但它并没有真正地帮助我们理解质量是什么。

牛顿虽然没有帮助我们解决好质量的定义问题，但他给我们确立了一种信念，即质量是客观实在，它独立于任何参考系而存在，无论是运动参考系还是静止参考系。与之相对应的时空称之为“绝对时空”。到了20世纪初期，爱因斯坦提出了狭义相对论，证明了质量和能量是等价的，m=E/c²，即物体的质量是它所含能量的量度。这是有关质量的新定义，看上去似乎很完美，但这公式中的C又意味着什么呢？

进一步的研究发现，在狭义相对论中，空间和时间是相对的，质量也不再是绝对的了，会随着物体运动速度的变化而发生改变，特别是当物体的运行速度接近光速的时候，它的质量将会发生明显的变化。这是对原来的经典物理学中质量概念的颠覆。虽然人们从未真正掌握经典力学中质量的含义，但很多人还是无法接受质量随着速度变化，质量是能量的量度这样的现实。100年来，人们为此争论不休，物理学也在这样的争论之中快速地发展起来。

爱因斯坦的狭义相对论把空间和时间结合在一起成为时空，把质量和能量结合在一起成为质能。他的广义相对论则将时空弯曲与质能密度和质能流联系了起来，形成了宇宙的结构。时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。

电子所表现出的互补的波动性和粒子性，促使物理学家发展出了麦克斯韦经典电动力学理论的量子版本，即量子电动力学。在这个理论中，电子的质量是复合的。其组成部分之一是“裸质量”，假设一个电子可以从它自己产生的电磁场中分离出来，那么它拥有的质量就是“裸质量”。现在我们知道，就连“裸质量”都不是电子的固有性质，它来源于电子和希格斯场的相互作用。在此基础之上，还有一个“电磁质量”，这是由电子与自己的电磁场之间的相互作用产生的能量产生的，这种相互作用将电子包裹在一层虚光子中。质量的概念又变得更加复杂了一些，电子的质量中有一部分来自缀饰它的虚光子的能量。

随着对基本粒子的深入研究而兴起的量子色动力学认为，夸克的质量来源于无质量粒子与希格斯场之间的相互作用；而质子和中子的大部分质量来自于发生在粒子内部的夸克和无质量胶子之间，以及夸克和其他夸克之间的相互作用。这一事实告诉我们，质量不是一种属性，而是一种行为。我们一直坚定不移地认为“质量是物质的一种固有的属性”，现在经过物理学家的深入研究，却证实了“没有物质的质量”这件事情，这是不是很荒谬？

三、颠覆人们物质观的发现

在人们的观念中，物质是有形的实体，是一种客观实在。现在，科学家通过锲而不舍的执着探索，发现能量才是关键。粒子，也就是早期的希腊原子论者所钟爱的终极的、不可分割的“物质”，已经被量子场所取代。像质子、中子等这些组成原子的粒子的质量，就来源于基本粒子之间的相互作用，是它们在作用的过程中通过减缓运动速度，从而获得质量的。

这已经够让人抓狂了，但科学家们的发现还不止如此。1929年，哈勃首先发现了星体间距离不断变大的现象，提出宇宙在不断地膨胀之中，这一发现导致伽莫夫提出著名的“大爆炸理论”。1964年，威尔森和彭齐亚斯无意之中检测到宇宙微波背景辐射，证实了宇宙确实是始于一场大爆炸。

为了对宇宙起源做更加深入的研究，科学家们做了大量的工作。其中值得一提的获得2011年的诺贝尔物理学奖的研究项目。两个研究小组用了十多年的时间，分别独立地研究了几十个超新星，并有了“震动了宇宙学的基础”的发现：第一，膨胀着的宇宙充满了通过引力互相吸引的物质；第二，膨胀速度在不断加快；第三，必定有某种不是物质的东西一直在克服引力的影响，让宇宙处在加速膨胀之中。那么，这种物质是什么呢？

一个可能的答案是：它不是构成我们的材料，应该是在宇宙诞生的那一刻留下来的，这种物质跟自己、跟其他物质都不发生作用，只用自己的丰度来增加宇宙的重量，此外基本上无所作为。科学家将这种物质称之为暗物质。虽然目前还无法直接观察到这些暗物质的存在，但它们以某种形式存在于星球的周围，虽然看不见，但可以引起星球周围电磁波的弯曲。科学家通过引力透镜间接观察到了它们的存在。

有了这些暗物质是否能够解释宇宙膨胀的速度等问题？在对观察所得的数据进行严格分析的基础上，科学家们发现，宇宙间还需要有“暗能量”的存在，才能更好地解释宇宙演进的状况。至于这“暗能量”的本性是什么，科学家们依然在持续探索之中……

我们现在大致可以确定的是，那些我们非常熟悉的物质——也就是由质子和中子组成的物质，只占到宇宙总质能的不到5%。而剩下的质能中，暗物质占了大约26%。这是一种无处不在却又完全不可见的未知物质形式，正是这种物质形成了那些由可见的星系、星系团以及巨洞所组成的大尺度结构。其余的69%则被认为是暗能量，这是一种充溢于空间的能量，时空膨胀的加速正是由其驱动的。

现在让我们在回过头来看看人类2500年来走过的探究物质本源的历程。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，它失去了有形性。物质也失去了原本的首要地位，它只是无形的量子场相互作用的结果。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，而不是相反。就宇宙而言，占据统治地位的依然是量子场的能量，而不是坚硬的、不可穿透的原子。

观念上的改变具有非凡的力量。这些科学思维上的伟大变革不仅塑造了我们理解宇宙的方式，也给我们思考问题的视角带来了相当戏剧性的变化。每一次变革都深刻地改变了我们对“结构”的思考方式，改变了我们对由空间、时间、物质和能量等最基本的成分构成的物理实在的理解方式。

  《物质是什么》，[英]吉姆·巴戈特/著，柏江竹/译，中信出版社2020年版