在宇宙中，光速就像一道關(guān)鍵的標(biāo)尺，它是攜帶信息與能量的極限速度，在真空中約為 30 萬 km/s 。
長久以來，人們一直追問：光為何能達(dá)到如此驚人的速度，其動力又源自何處？
量子力學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)的核心理論之一，其波粒二象性的觀點(diǎn)令人著迷。在這個理論體系中，量子既是粒子，又表現(xiàn)為波。
光量子，簡稱光子，通過麥克斯韋方程對光速求解，得出光速為常數(shù)，也就是說，光速恒定不變。從粒子的視角來看，光子的靜止質(zhì)量為零，而它在真空中的速度恰好就是光速。
愛因斯坦基于光速不變這一奇妙原理，推導(dǎo)出了具有劃時代意義、改變世界格局的《狹義相對論》。在這一理論中，質(zhì)速關(guān)系明確指出，靜態(tài)質(zhì)量不為零的物質(zhì)，無論如何都無法達(dá)到光速；而靜態(tài)質(zhì)量為零的粒子，卻天生以光速運(yùn)動。
基于《狹義相對論》的進(jìn)一步深入推導(dǎo)，愛因斯坦又發(fā)表了舉世聞名、流芳百世的質(zhì)能方程：E=mc2 ，這一方程深刻地揭示了能量與質(zhì)量之間的等價關(guān)系。質(zhì)速關(guān)系將速度與質(zhì)量緊密相連，而質(zhì)能方程則更進(jìn)一步，把能量也巧妙地納入其中。
但令人費(fèi)解的是，能量、光速與質(zhì)量，這三者看似毫無關(guān)聯(lián)，它們之間究竟存在著怎樣神秘的內(nèi)在聯(lián)系呢？
牛頓的封神之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》影響深遠(yuǎn)。在這部著作中，牛頓提出 m=ρv ，表明質(zhì)量是對物質(zhì)的量的一種度量，與物質(zhì)的體積和密度密切相關(guān)。他的第一定律描述了質(zhì)量賦予物體慣性的特性，即物體具有保持原有運(yùn)動狀態(tài)（無論是勻速運(yùn)動還是靜止）的能力。
例如，一顆質(zhì)量巨大、勻速沖向地球的小行星，即便它不受任何外力作用，憑借人類穿著宇航服，也根本無法走到它旁邊一巴掌將其扇飛，這正是因為質(zhì)量越大，物體的慣性就越大。然而，牛頓只是闡述了質(zhì)量的作用與效果，對于質(zhì)量的本質(zhì)究竟是什么，他并未給出明確答案。
愛因斯坦則通過質(zhì)能方程 E=mc2 ，揭示了質(zhì)量與能量之間存在著光速平方的關(guān)系。但同樣的，他也未能清晰地說明質(zhì)量到底是什么。
要知道，等價并不等同于相等，質(zhì)量并非能量，可它們之間關(guān)系的本質(zhì)究竟是什么呢？愛因斯坦也未能將其闡釋清楚。
實際上，牛頓與愛因斯坦之所以無法講清楚這些問題，是因為當(dāng)時人類的觀察尺度存在局限性，科技水平也尚未達(dá)到相應(yīng)的高度。直到 21 世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類才終于在這個問題上取得了重大突破，不僅弄清楚了光速、質(zhì)量與能量之間的關(guān)系，并且有了確鑿的證據(jù)。
2012 年，歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量之源 —— 希格斯玻色子，成功解開了這一困擾科學(xué)界已久的世紀(jì)難題。
從本質(zhì)上來說，物質(zhì)本不應(yīng)在宇宙中形成，一切似乎都本應(yīng)不具備質(zhì)量，物質(zhì)都應(yīng)以光速運(yùn)動。
所以，我們不應(yīng)再糾結(jié)于光速為什么如此之快，而應(yīng)反過來思考：物質(zhì)為什么運(yùn)動速度如此之慢？這是因為宇宙間的基本粒子，有一部分被 “束縛” 住了。
物質(zhì)的質(zhì)量追根溯源來自粒子的質(zhì)量，而粒子質(zhì)量的產(chǎn)生源于被能量所束縛。粒子被束縛的另一個結(jié)果就是，其運(yùn)動速度被拖慢，無法達(dá)到原本應(yīng)有的光速。
這里所說的能量，源于基本粒子間的相互作用。
牛頓與伽利略習(xí)慣將這種相互作用稱為 “力”，而從更科學(xué)、更能揭示物質(zhì)本質(zhì)的角度來講，用 “規(guī)范場”，簡單說就是 “場” 來描述更為恰當(dāng)。
從粒子的角度深入分析，宇宙中的一切物質(zhì)都是由基本粒子構(gòu)成的，這些基本粒子的尺度比原子、分子還要小得多。在微觀世界里，這些粒子之間相互接觸時，會產(chǎn)生四種最基礎(chǔ)的相互作用（力）。正是這些粒子與相互作用，共同構(gòu)成了宇宙間的一切現(xiàn)象與物質(zhì)。
換句話說，宇宙間一切物質(zhì)與現(xiàn)象的底層邏輯，都可以用這四大相互作用力來解釋，而相互作用的產(chǎn)生，則源于粒子本身所具有的內(nèi)在特性。
以我們生活中常見的磁鐵為例，磁鐵表現(xiàn)出的同斥異吸現(xiàn)象，背后的根源就是電磁力。
從微觀本質(zhì)來看，電磁力是粒子之間交換光子所產(chǎn)生的力。
我們可以形象地理解為，光子在粒子之間被像皮球一樣丟來丟去。這種相互作用之所以會發(fā)生，是因為粒子帶有電荷，比如電子帶負(fù)電、質(zhì)子帶正電。
再看原子，原子的主要質(zhì)量集中在原子核，原子核由質(zhì)子（中子）構(gòu)成，而質(zhì)子（中子）又由三個夸克組成。不同的夸克如同正負(fù)電荷一樣，具有不同色荷的特性。膠子也具有色荷，它會不斷改變夸克的色荷屬性，在粒子間被頻繁傳遞。
膠子傳遞的能量能夠像強(qiáng)力膠水一樣，牢牢地 “捆綁” 質(zhì)子中的夸克，同時還能使由 “被捆綁的三價夸克” 組成的質(zhì)子或中子，不會發(fā)生排斥作用。這是因為在原子核內(nèi)，質(zhì)子與質(zhì)子都帶正電，由光子產(chǎn)生的電磁力的排斥力本應(yīng)將質(zhì)子們分開，但膠子產(chǎn)生的相互作用強(qiáng)于電磁力，這才使得宇宙中能夠穩(wěn)定存在原子核。
我們將膠子的這種相互作用稱為強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力），原因就在于它比電磁力更為強(qiáng)大。
除了電磁力和強(qiáng)相互作用，宇宙物質(zhì)的構(gòu)成還涉及弱相互作用與萬有引力，在此暫不一一詳細(xì)描述。既然我們對萬物的構(gòu)成有了一定認(rèn)識，那么質(zhì)量的源泉究竟是什么呢？
原子由核外電子與原子核構(gòu)成，電子的質(zhì)量極其微小，在很多情況下可以忽略不計，原子核的質(zhì)量則是質(zhì)子與中子質(zhì)量之和，而中子與質(zhì)子又由三個夸克組成。
那么，質(zhì)子與中子的質(zhì)量就簡單地等于三個夸克的質(zhì)量之和嗎？
事情遠(yuǎn)沒有這么簡單。一個質(zhì)子的質(zhì)量經(jīng)測量為 938.272MeV/c2 ，換算成質(zhì)量約為 1.6726x10?2?kg 。
科學(xué)家通過讓高能強(qiáng)子對撞產(chǎn)生深度非彈性散射，進(jìn)而激發(fā)正反夸克湮滅，利用爆發(fā)出的伽馬能譜精確地測量出了夸克的質(zhì)量。
經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子中的三個夸克靜止質(zhì)量之和僅約為 9.4MeV/c2 ，這就意味著夸克本身的質(zhì)量僅僅占質(zhì)子質(zhì)量的 1%。那么，質(zhì)子（中子）那 99% 的質(zhì)量究竟來自哪里呢？
愛因斯坦的質(zhì)能方程 E=mc2 為我們提供了答案。雖然膠子的靜止質(zhì)量為零，但根據(jù)質(zhì)能等價原理，質(zhì)量可以看作是能量的另一種表現(xiàn)形式。
這 99% 的質(zhì)量可以通過公式 m=E/c2 計算得出，這里的 E 指的就是膠子的強(qiáng)相互作用。也就是說，在質(zhì)子（中子）中，99% 的質(zhì)量其實是能量的一種體現(xiàn)。
質(zhì)能關(guān)系與基本粒子的相互作用，雖然成功解釋了宇宙中大部分質(zhì)量的來源，但仍存在一個棘手的問題：質(zhì)子中 1% 的夸克本體質(zhì)量、電子等一切具有靜止質(zhì)量基本粒子本身的質(zhì)量從何而來？
按照之前的理論，它們似乎本應(yīng)是空有一身零質(zhì)量的 “軀殼”，僅僅作為能量的載體存在。我們已經(jīng)解釋清楚了 99% 質(zhì)量來源于粒子間的相互作用，那么粒子本身的質(zhì)量究竟源自何方呢？
這個問題長期以來一直困擾著科學(xué)界，甚至一度差點(diǎn)顛覆了 “量子力學(xué)” 這一現(xiàn)代物理學(xué)的基石。
1916 年，愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論》，這一理論照亮了物理學(xué)發(fā)展的道路。
德國物理學(xué)家赫爾曼?外爾，這位出師于大衛(wèi)?希爾伯特的杰出學(xué)者，在看到《廣義相對論》論文后，如癡如醉，仿佛從中窺見了 “上帝的說明書”。
《廣義相對論》中描述引力場的本質(zhì)是時空幾何，外爾憑借其深厚的數(shù)學(xué)功底，尤其是對幾何學(xué)的獨(dú)特理解，敏銳地察覺到幾何學(xué)中的 “場”，不僅能夠描述引力，甚至有可能統(tǒng)一一切物理底層理論。當(dāng)時，擺在他面前就有現(xiàn)成的電磁場理論（麥克斯韋）。
受到啟發(fā)，外爾在 1918 年發(fā)表了《空間、時間、物質(zhì)》，之后在 1928 年又發(fā)表了更為深入探討本質(zhì)的《群論和量子力學(xué)》。然而，在當(dāng)時，很多物理學(xué)家認(rèn)為群論過于抽象，“統(tǒng)一場論” 更是遙不可及，因此幾乎沒有人愿意花費(fèi)時間去研究他的理論。
但科學(xué)的發(fā)展總是充滿了驚喜與意外。后來的事情大家都已熟知，1954 年，楊振寧與他的學(xué)生米爾斯基于外爾的 “規(guī)范場” 理論，成功發(fā)展出了著名的楊米爾斯理論。
這一理論的誕生，使得場論除了能夠解釋電磁力之外，又將弱力（相互作用）囊括其中。緊接著，蓋爾曼站在巨人的肩膀上，將楊米爾斯理論進(jìn)一步擴(kuò)展到強(qiáng)力（相互作用）領(lǐng)域。
至此，在四大基本相互作用中，只剩下當(dāng)初啟發(fā)外爾的引力場，由于始終未能找到引力子，所以無法將其統(tǒng)一，實現(xiàn)物理學(xué)界夢寐以求的大統(tǒng)一理論。
與此同時，粒子本身具有的質(zhì)量起源問題，也依舊沒有得到解決。不過，基于場論，科學(xué)家們找到了一個全新的研究方向。
英國物理學(xué)家彼得?希格斯提出了一個大膽而又極具創(chuàng)新性的假設(shè)：在宇宙大爆炸前，一切物質(zhì)都不存在，也都不具備質(zhì)量。
那么，為何在大爆炸發(fā)生一秒之后，一切物質(zhì)就突然有了質(zhì)量呢？既然靜質(zhì)量為零的膠子能夠形成 “膠子場”，并且在場中積蓄足夠能量后就會放出膠子，那么是否在宇宙間還存在著某種特殊的場呢？
這種場在宇宙誕生一秒后，能夠以不亞于光速的速度迅速滲透整個空間，與誕生的基本粒子（夸克、電子）相互作用，從而使它們獲得一定質(zhì)量，而這種作用卻不會發(fā)生在亞原子（質(zhì)子、中子）身上。
令人振奮的是，2012 年，人類終于發(fā)現(xiàn)了新的粒子 —— 希格斯玻色子，這一發(fā)現(xiàn)使得希格斯機(jī)制終于得到了驗證。
原來，在宇宙間，希格斯場無處不在。不過，由于不同粒子本身的特性千差萬別，因此希格斯場并非與所有粒子都會發(fā)生相互作用?？梢孕蜗蟮卣f，希格斯場就如同廣闊無垠的海洋，充滿在整個宇宙之中。
夸克、電子等粒子在這片 “海洋” 中運(yùn)動時，會受到海水般的沖擊，從而產(chǎn)生阻力。這種阻力使粒子具備了一種類似勢能的能量，而這種能量體現(xiàn)在粒子身上，就表現(xiàn)為質(zhì)量。粒子受到的阻力越大，所具有的質(zhì)量也就越大，愛因斯坦的質(zhì)能方程在這里又一次完美地描繪了質(zhì)量與能量之間的關(guān)系。
值得注意的是，希格斯機(jī)制對光子、膠子等粒子并不產(chǎn)生束縛作用，因此它們能夠以絕對光速在真空中自由穿行，這也就是為什么它們不具備靜止質(zhì)量。
希格斯玻色子堪稱 “上帝粒子”，它是質(zhì)量之源，是構(gòu)建宇宙最底層邏輯的關(guān)鍵要素。
它在賦予部分粒子質(zhì)量的同時，又對部分粒子 “視而不見”，正是這種獨(dú)特的作用方式，構(gòu)成了宇宙的基本框架。它讓一部分粒子成為了神奇的 “粘合劑”，將質(zhì)量粘合在一起，進(jìn)而形成了浩瀚的星系、神秘的星球，以及我們?nèi)祟愖陨怼?/p>
宇宙中的一切本應(yīng)都以光速運(yùn)行，然而，因為希格斯場的束縛，許多粒子的速度被 “拖了后腿”。而光，只是在以它原本應(yīng)有的速度運(yùn)行，它并不需要任何額外的動力來源，這便是宇宙微觀世界中關(guān)于光速、質(zhì)量與能量的奇妙奧秘。
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