是什麼賦予物質質量？

01-15

牛頓定律有個詞是「有質量的物質」。本來以為質量是物質天然的屬性，看了知乎才知道確實有東西沒有質量，比如光子。那麼其他有質量的東西是什麼賦予它質量的呢？另外由質能守恆猜想沒有質量的物質是不是一定含有巨大能量或者完全是不含能量？或者無質量物質和能量之間有什麼特殊的表現形式？都是個人猜想，問題本身不知道有無錯誤，闡述應該能理解吧。求不噴，望各位大神不吝賜教。
補充一個問題光子沒有質量那麼是不是不受萬有引力影響？那麼，黑洞引力太大使得光都無法逃脫這個觀點是不是應該錯的？

一直都想寫一個科普質量的文章，就在這裡寫吧。本文針對的是有一定物理基礎的物理系本科生，學過量子力學，相對論，最好還熟悉一點4-vector formalism...

我打算就以Klein-Gordan場和Dirac場為例說明基本粒子是怎樣獲得質量的。然後再講講自發對稱性破缺和Higgs機制如何給予gauge boson質量。注意，這不是什麼很正式的講義，全當稍微高級一點的科普。行內人士不要笑話了...

1. 首先先說下Klein-Gordan (KG) 場和Dirac場。

KG場描述boson。KG方程是這樣得來的：對狹義相對論中的關係式

$E^2=p^2+m^2$

利用量子力學的結果，做以下替換

$E ightarrow ipartial/partial t$

$p ightarrow -i abla$

就得到KG方程 $partial^mu partial_mu phi = m^2phi$ , m代表的是KG場的質量它對應的Lagrangian是

$mathcal{L}=partial^muphipartial_muphi^*-m^2phiphi^*$

從Lagrangian的角度來說，場的平方項的係數給出了質量的大小。

Dirac方程描述自選1/2的fermion。它也是從 $E^2=p^2+m^2$ 入手，但是開了平方。Dirac假設

$sqrt{p^2+m^2}=alpha p+eta m$

我偷個懶，我們假設空間只有一維。這樣 $alpha$ 和 $eta$ 必須是2x2的矩陣：

$eta = egin{pmatrix} 0 1 \ 1 0 end{pmatrix}$ , $alpha = egin{pmatrix} 1 0 \ 0 -1 end{pmatrix}$

這樣就可以得到一維的Dirac方程：

$ipartialpsi/partial t = -i alphapartialpsi/partial x +eta mpsi$

$psi$ 因此會有個兩個component，可以寫成

$psi=egin{pmatrix} psi_R \ psi_L end{pmatrix}$

我們發現beta矩陣作用在 $psi$ 上其實就是交換兩個component的位置。所以Dirac方程就可以拆成兩個

$ipartialpsi_R/partial t = -ipartialpsi_R/partial x+ mpsi_L$

$ipartialpsi_L/partial t = ipartialpsi_L/partial x+mpsi_R$

我們看到兩個方程是couple在一起的，如果質量項不為零！

簡單講一講這個質量項的起源，細節我們後面還會再提及。

時空中存在一個標量場 $phi(x)$ , 它和Dirac field會couple在一起

$ipartialpsi_R/partial t = -ipartialpsi_R/partial x+ gphi^*psi_L$

$ipartialpsi_L/partial t = ipartialpsi_L/partial x+gphipsi_R$

假如這個標量場 $phi(x)$ 的基態剛好是 $phi=0$ , 那麼 $psi_R,psi_L$ 就decouple了，因此 $psi$ 表示的這個fermion就是無質量的。但是由於某些原因（具體等我們到自發對稱破缺再說），標量場的基態並不等於0，這樣我們就可以和Dirac方程做比較發現 $gphi=m$ .

2. 整體規範變換，自發對稱破缺。

現在我們考慮對KG場 $phi(x)$ 做一個變換: $phi(x) ightarrow e^{i heta}phi(x)$

相應的， $phi^*(x) ightarrow e^{-i heta}phi^*(x)$

很顯然，KG場的Lagrangian在這個變換下保持不變

$mathcal{L}=partial^muphipartial_muphi^*-m^2phiphi^*$

這叫做規範不變性。

我們要求規範不變性必須被滿足。

所以，如果你想在Lagrangian裡面構造更複雜的勢能 $V(phi)$ , 它必須是 $phiphi^*$ 的函數。

最簡單的可能性就是 $V(phiphi^*)=m^2phiphi^*$ ，也就是KG場的勢能。但是這個勢能的最小值剛好就是當 $phi=0$ 時V＝0. 之前我們討論Dirac場的時候就談到，如果真空剛好是V＝0，那麼fermion都是無質量的。這顯然不是我們想要的。

實際上，勢能項是這個樣子的：

$V(phiphi^*)=-mu^2phiphi^*+lambda(phiphi^*)^2$

用圖畫出來，就是所謂的墨西哥草帽，

我們看到，phi＝0並不是真空，在這個帽子底部的一個圓圈上才是真空。因為這個勢能明顯具有旋轉對稱性，我們用極坐標表示更方便：

$phi= ho e^{ialpha}$

這樣勢能就寫成

$V=-mu^2 ho^2+lambda ho^4$

整個Lagrangian就變成了

$mathcal{L}=partial^muphipartial_muphi^*-V=(partial ho)^2 + ho^2 (partialalpha)^2 - V( ho)$

然而，真空必須選擇特定的一個alpha值，整體的旋轉對稱性被打破了。這叫做自發性對稱破缺。

假設帽子底部圓圈半徑是 $f$ ，那麼在這個圓圈上，Lagrangian是

$mathcal{L}=(partial f)^2 + f^2 (partialalpha)^2 - V( ho=f)$

注意到，除了 $f^2 (partialalpha)^2$ 這一項，其他兩項都是常數，因此我們可以只考慮

$mathcal{L}=f^2 (partialalpha)^2$

定義 $eta=falpha$ , 所以 $mathcal{L}=(partialeta)^2$ .

這個Lagrangian是什麼？

是個無質量的KG場。也就是說，在墨西哥草帽的勢能下，標量場phi在真空的angular variation產生一個無質量的波色子。通常被叫做Goldstone波色子。它是自發對稱性破缺最顯著的特徵。

另外，phi在f附近有徑向的振動，這產生的就是Higgs boson。

3. 局部規範變換，協變導數

現在我們繼續研究標亮場的規範變換，但是這次變換的角度是時空的函數：

$phi(x) ightarrow e^{i heta(x)}phi(x)$

$phi^*(x) ightarrow e^{-i heta(x)}phi^*(x)$

這下就不好了...因為Lagrangian里的動能項 $partial^muphipartial_muphi^*$ 不再保持不變。有興趣的讀者請自行做計算驗證...

如果我們想保留規範變換不變性，那必須引入一個新的場。結果人們發現，Maxwell理論的vector potential $A_mu$ 能做到這一點。我們定義協變導數 $D_muphi=partial_muphi-iA_muphi$ , 同時規定A的規範變換 $A_mu ightarrow A_mu+partial_mu heta$ , 把動能項寫成 $D^muphi D_muphi^*$ , 規範變換性就被拯救了。

既然引入了A，那就必須引入電磁場自己的動能，也就是 $F^{mu u}F_{mu u}$ , 很明顯F^2這項並不會破壞規範不變性。那把Lagrangian寫全就是

$mathcal{L}=D^muphi D_muphi^*-V(phiphi^*)+F^{mu u}F_{mu u}$

其中勢能只要是 $phiphi^*$ 的函數，就可以保留規範性。在我們的討論里，勢能一直都會是墨西哥草帽勢能。

這裡稍微提一句。倘若上面這個Lagrangian里有一項 $A^mu A_mu$ , 這項會是光子的質量。但是我們知道光子並沒有質量，所以A^2這項不存在。為什麼呢？因為 $A^mu A_mu$ 會破壞規範性...有興趣自行驗證

4. gauge boson的質量

現在我們探討gauge boson是如何獲得質量的。

考慮標量場的動能項 $D^muphi D_muphi^*$ ，我們還是把 $phi$ 記作 $fe^{ialpha}$ ，其中f是帽子底部圓圈的半徑。那麼把協變導數展開，

$Dphi=ife^{ialpha}(partialalpha-A)$

所以

$Dphi Dphi^*=f^2(partialalpha-A)^2$

把 $A-partialalpha$ 記作 $A$ , 那麼我們就有了 $f^2A$ , 這正是gauge boson的質量。

可以這樣形象的理解， $partialalpha$ 正是Goldstone boson，它被gauge boson吃掉了。因此gauge boson獲得了質量。

再註：這只是科普。不要當真。

5. Fermion的質量

回到Dirac方程

$ipartialpsi_R/partial t = -ipartialpsi_R/partial x+ mpsi_L$

$ipartialpsi_L/partial t = ipartialpsi_L/partial x+mpsi_R$

下標R和L表示的右旋和左旋。弱相互作用被研究了之後，人們發現只有左旋的粒子和右旋的反粒子參與弱相互作用，或者說，只有左旋的粒子有weak charge。那麼我們再看拆開的Dirac方程，weak charge不守恆。。。

解決這個問題，要引入我們已經討論過的標量場 $phi$ ， $phi$ 是帶weak charge的。這樣， $psi_R$ 通過發射一個 $phi^*$ 變成 $psi_L$ 就讓weak charge守恆了。要做到這個條件，我們必須把 $phi^*$ 和 $psi_L$ couple在一起，

$ipartialpsi_R/partial t = -ipartialpsi_R/partial x+ gphi^*psi_L$

$ipartialpsi_L/partial t = ipartialpsi_L/partial x+gphipsi_R$

這就是我們之前提到的，Dirac方程里質量的來源。因為標量場 $phi$ frozen at f, 所以

$m=gphiapprox gf$ . 對於不同的fermion，就會有不同的g，這做Yukawa coupling。

6. Mass renormalization

探討Dirac方程的時候，我們就發現一個fermion有質量會導致它的右旋和左旋會couple在一起。所以反過來說，當我們發現一個粒子從右旋變為左旋，或左旋變為右旋，我們就可以得出結論這個粒子有質量，旋轉翻轉的概率越大，質量也越大。

---------------------------------------------------------------------------------------------

更新

講一講左旋變為右旋在物理上是個什麼過程。我們知道粒子是有自旋的，自旋方向可以和運動方向平行，也可以反向平行。比如下面這個圖，粒子自旋的方向和你左手彎曲時手指的方向一致，同時它的運動方向和左手大拇指的方向也是一致的，這就叫左旋。

再看這個粒子，它的自旋方向還是一樣的，但是它往右邊運動。這次必須要用右手了。這個粒子是右旋的。

如果這個粒子有質量，那麼它就永遠無法達到光速運動。這樣你就可以想像，你自己運動的比這個粒子快，你觀察這個粒子，它的運動方向就改變了。但是自旋方向還是不變。所以，粒子會從左旋變為右旋。

這就是為什麼有質量的粒子， $psi_R, psi_L$ 是couple在一起的。

---------------------------------------------------------------------------------------------

這個過程的費曼圖可以畫成這樣：

只要這個fermion有質量 $m_0$ ，那麼這個旋轉翻轉的過程就能發生，並且這個過程的概率振幅就是 $m_0$

但是， $m_0$ 並不是它所有的質量，還有所謂self－energy的東西。我們要考慮所有會翻轉旋轉的過程。

我們可以首先想像這個過程，一個左旋fermion進來，發射了一粒光子，（發射／吸收光子並不會改變旋轉），在它重新吸收了這粒光子之前，它變成了右旋，然後它又把這粒光子吸收了。這個圖有兩個頂點，每個頂點會引入一個正比與電子電荷的factor，所以這個過程的振幅是 $e^2m_0$

那麼繼續，這個fermion可以發射兩粒光子，三粒光子，四粒。。。很多粒，最後又全部把它們吸收了。

所以，所有這些過程的振幅加起來是，

$m_0+m_0e^2+m_0e^4+...$

那這就引起來一個問題：這個級數收不收斂？

這個問題就導致了重整化，renormalization，的思想。

我們再看這個最簡單的圖，

我們想像這個fermion就是在箭頭的那個地方從左旋變成了右旋。那麼箭頭代表的是時空的一個點么？事實上不是的。把這個箭頭這個地方想成一個黑箱子，不管這裡面發生了什麼，不管這裡面有多大，只要在這個fermion進入黑箱子前是左旋，從黑箱子出來後是右旋，那麼這個過程就對fermion的質量有貢獻，我們就要在質量的級數里加上這個。直到這個黑箱子的體積小於某個值， $delta,$ 在量子場論里通常我們取普朗克尺度.

那麼具體這個cut off在數學上如何操作呢？

舉個例子，比如我們想算一個scalar boson的總質量。之前介紹KG場的時候就提到了，KG場的質量在Lagrangian里的體現是場的平方項， $phiphi^*$ . 這個平方項畫成費曼圖，其實就是代表粒子的位移。也就是這樣一個簡單的圖。

現在我們要用黑箱子的思想，我們想像箭頭這個地方是個黑箱子，只要這個boson進入了黑箱子，又從黑箱子出來了，不管黑箱子裡面發生了什麼，這個過程就會對質量有貢獻。

那麼，可以有這個過程：

我們把上面那個圈，叫做propagator。

Propagator就是這樣一個東西，

只不過它是一個虛粒子，也就是它被發射出來之後一定又被吸收了。從場論的角度來說，這相當於，在x處產生一個粒子，在y處再把它湮滅。那麼這個過程的振幅就是

$left<0 ight| phi(y)phi(x) left|0 ight>$

因為phi的量綱是能量，也就是1/長度，所以振幅一定是1/長度平方。根據量綱分析，我們唯一涉及到的長度量，就是那個cut off的長度 $delta$ 。所以一個propagator，就會引入一個 $1/delta^2$ .

現在我們把上面那個圈剪斷，整個過程就變成了一個4-vertex diagram，我們發現只有一個propagator

4-vertex diagram對應的Lagrangian裡面 $phi^4$ 的係數 $lambda$ ，所以這個過程的振幅就是 $lambda/delta^2$ .

再考慮一個更複雜的過程，

現在我們有三個propagator，假如我們把三個都從中間剪斷，那麼這個圖可以看成是由兩個

拼起來的。我們假設發射propogator是在 $x$ 處，吸收propagator是在 $x+Delta$ 處，那麼三個propagator就會給出 $1/Delta^6$ ; 另外由於這個圖是兩個4-vertex拼起來，所以會有 $lambda^2$ .

那麼這個過程的振幅就是

$int^infty _delta frac{lambda^2}{Delta^6} d^4Delta$

根據量綱分析，這個積分結果只能是 $lambda^2/delta^2$ ...

如果你考慮更複雜的圖，你就會有關於lambda越來越高的power，但是delta-dependence都是 $1/delta^2$ .

所以這樣一個粒子的self-energy, 大致是這樣一個級數

$m^2=m_0^2+lambda/delta^2+lambda^2/delta^2+...$

我們發現這個級數和電子質量級數 $m_0+m_0e^2+m_0e^4+...$ 有些區別：

電子的總質量是完全由 $m_0$ 控制的，e是個常數。

而我們所考慮的scalar boson的質量，除了 $m_0$ 以外還受到 $lambda$ 影響。而要保持最後總質量m是個比較小的數值，lambda必須很精確的控制。這就是所謂的Higgs fine-tuning問題。

8. 啰嗦的話

並不是所有粒子的質量都是從Higgs來的。比如uud三個夸克組成的質子，99%的質量是強相互作用導致的。

作為粒子物理的博士，我的科研工作就是和基本粒子的質量打交道：把多個夸克按照特定的對稱性放在一起，研究組成的強子態的質量。我的研究領域還是偏唯象的，還沒有涉及到質量的起源等基本問題。

質量的起源是一個非常深刻的問題。任何從事物理學研究的人都會有極大的興趣來思考這個問題。我在這裡總結一下目前物理學家對質量起源的理解。

首先質量是什麼？

物理學中有一個觀點是，定義一個物理量的最好的方法是給出測量它的方法。

按照這個觀點，牛頓第二定律實際上給了一個質量的定義：物體受到的力和產生的加速度成正比，質量就是其中的比例係數。

而在牛頓的引力公式中，質量是兩個物體相互吸引的力和物體之間距離平方的倒數之間的比例係數。

這兩個測量方法給出了質量的兩種定義，分別被大家成為慣性質量和引力質量。

天才的愛因斯坦同學深刻地提出了一個稱為「等效原理」的觀點，簡單地理解就是，引力質量和慣性質量是等價的（或者專業地說，引力可以局域地等效為物體處在非慣性參考系中）。

這個深刻的洞察最終發展出愛因斯坦的引力方程。這些方程給出了引力的幾何圖像，用數學語言描述了質量是如何彎曲周圍的時間和空間的。愛因斯坦的理論在1919年對光線在太陽附近被彎曲的實驗觀測中被證實。

講到這裡，我們只知道質量會產生哪些物理效應，比如慣性，以及對時空會有彎曲作用。我們對為什麼會有質量還是一無所知。

下面講一下2012年物理學界發生的一個轟動級事件，這是我們粒子物理學界這麼多年最大的一個新聞，徹底改變了人類對質量的認識：這個事件就是「希格斯」粒子的發現。

質量是從哪裡來的？

先說一下背景。理論物理學家對基本粒子的質量問題的研究很早就開始了。真正開始困擾物理學家的是1983年發現的W和Z玻色子，這些粒子作為規範粒子，不應該帶質量的。但是實驗發現，它們不僅有質量，而且還很重!

規範粒子不應該有質量的。如果作為粒子物理學中的基本理論「規範理論」存在問題，所有相應的物理理論都要推翻重來了！

還好，聰明的理論學家在W和Z粒子發現的幾十年之前就提出過一個機制，叫做希格斯機制，這個機制可以給規範粒子賦予質量，同時也可以給如夸克之類的物質粒子賦予質量。W和Z玻色子的質量就可以用希格斯機制來解釋。

不過，希格斯機制雖然很巧妙，但是這個理論卻一直被科學家們質疑。

這是為啥呢？

主要因為這個理論中要求存在一個新的粒子，叫做希格斯粒子，正是這個希格斯粒子給其他粒子賦予的質量。可是這個希格斯粒子在實驗中一直沒發現。

物理學理論的發展是這樣的：一切都以實驗為基礎，你的理論再完美，再漂亮，能夠解釋無數已有的實驗，但是，物理學家仍然不會完全相信你的理論。你的理論必須做出一些預言，然後實驗學家通過實驗來證實或者否定你的預言。只有不斷被實驗證實的理論才會留存下來。

希格斯機制很完美，但是理論中的最重要粒子卻沒有發現，這是讓所有物理學家都頭疼的地方。

2012年是粒子物理學非常重要的一年，這一年不是世界末日，相反，這一年粒子物理地圖中心最重要的那塊寶石被找到了：希格斯粒子在實驗室被發現，希格斯機制被實驗證實。這是理論物理的一大勝利。

那麼，希格斯機制怎麼給物質賦予質量的呢？

簡單地說，用最基本的物理原理構造出來的物理理論中，所有粒子都是無質量的。我們通過引入希格斯粒子和這些無質量的粒子相互作用，相當於粒子的運動受到牽制，就像泳池中的水會阻礙水中物體的運動，等效地看，就是那些粒子獲得了質量。

如果願意更詳細地了解，科普一點的可以讀一下我關於光子質量的一個回答：

標準模型里的光子為什麼不能從希格斯機制獲得質量？ - 北冥有魚的回答

專業一點的推薦 @艾伯塔的回答，其中詳細講述了希格斯機制的推導：

是什麼賦予物質質量？ - 知乎用戶的回答

好了，現在希格斯機制已經告訴了我們基本粒子為什麼有質量了，那麼，是不是我們周圍的物質，還有我們自己都是因為希格斯機制才有質量的呢？

其實並不是。我們身體的質量都來自原子的質量，原子的質量絕大部分都來自原子核中的質子和中子。希格斯機制確實賦予了夸克等物質質量，但是由夸克組成的質子中子的質量是遠遠大於組成它們的夸克質量的。那麼質子中子的質量是哪裡來的呢？

其實多出來的質量來自於強相互作用（能量）。質子中子的質量絕大部分都來自於其中夸克和膠子的強相互作用（能量）。甚至可以說，夸克的質量對質子中子的質量貢獻幾乎忽略不計。所以，即使認為夸克質量為零，由於強相互作用的存在，由夸克膠子組成的質子中子仍然是有質量的。

儘管如此，希格斯機制仍然非常重要。它賦予了電子質量，正是因為電子有質量，由電子和原子核組成的原子才能穩定存在，才會形成我們現在的世界。

上面都是對非物理專業的科普。對這個問題很感興趣的話，推薦一下MIT的諾獎得主Wilczek寫的關於質量起源的科普文章，物理系高年級本科生應該可以讀懂：

https://arxiv.org/pdf/1206.7114v2.pdf

那麼，我們現在是不是已經知道宇宙中物質的質量起源了呢？

並不是，還差得遠！

為什麼這麼說？因為宇宙中只有5%左右是我們熟悉的普通物質，上面的理論都解釋的是普通物質的質量。還有70%的暗能量，25%的暗物質我們是完全不了解的。我們不知道它們的質量是哪裡來的，它們由什麼組成的。

所以，人類對質量起源的探索還在繼續。

@白書旭的答案強調了 Higgs 機制對於物質質量的貢獻

但是對於日常生活中我們所謂的「質量」，Higgs 機制的貢獻其實很少

Higgs 機制解釋的基本粒子層次的質量，比如說夸克和電子的質量

日常所見的質量，其主要的來源是：

強相互作用帶來的能量再由質能關係等效出來的質量

稍微解釋一下，以下解釋並不嚴謹，但比較通俗，用中學物理的知識足以理解

相互作用就是「力」，自然界中，有四種力，分別是「強」「電磁」「弱」「引力」，其中強相互作用的「力」是最大的，可以在亞原子的尺度提供比較大的能量
這個能量，就是常說的「勢能」，又叫「位能」，是因為基本粒子相互之間的位置而產生的能量，就像重力勢能是由物體和地球之間的位置（即高度）決定的，E=mg*h，mg 是「力」，h 是相互之間的「位置」
祭出大名鼎鼎的質能公式E=mc^2，愛因斯坦告訴我們，能量就是質量，是一個東西，我們之所以用了兩個詞來描述，只是因為看的角度不同，能量這個詞用來描述物體做功的本領，質量這個詞用來描述對物體進行加速的難易程度

用數字說話

日常生活中的物體，質量的主要來源是原子核，而原子核是由質子、中子組成的，質子、中子又是由上夸克和下夸克以及膠子組成的

一個氫原子的質量中，原子核的質量是核外電子質量的1836倍，接近 1000 MeV（這是個質量單位，不用在意這些細節），核外電子質量是 0.5 MeV

氫原子核就是質子，一個質子由兩個上夸克、一個下夸克和一些膠子組成，質子的質量中，上夸克質量約4 MeV，下夸克質量約 6 MeV，膠子質量為零

結果你會發現，僅僅由上夸克和下夸克的質量加起來，怎麼也不會達到 1000 MeV 這麼多啊，1000-4*2-6=900多，這個900多的部分，就是之前說的強相互作用帶來的

注意，在這個例子中，所有由於 Higgs 機制所帶來的質量，我都用下劃線標示出來了

也就是說，在原子中，原子核的質量，和電子的質量，來源機制就是不一樣的

這個問題提的非常非常好！

在標準模型里，希格斯機制（英語：Higgs mechanism）是一種生成質量的機制，能夠使基本粒子獲得質量。為什麼費米子、W玻色子、Z玻色子具有質量，而光子、膠子的質量為零？希格斯機制可以解釋這問題。希格斯機制應用自發對稱性破缺來賦予規範玻色子質量。在所有可以賦予規範玻色子質量，而同時又遵守規範理論的可能機制中，這是最簡單的機制。根據希格斯機制，希格斯場遍佈於宇宙，有些基本粒子因為與希格斯場之間相互作用而獲得質量。
更仔細地解釋，在規範場論里，為了滿足局域規範不變性，必須設定規範玻色子的質量為零。由於希格斯場的真空期望值不等於零，[希格斯場在最低能量態的平均值，就是「希格斯場的真空期望值」。費曼微積分（Feymann calculus）用來計算的是希格斯場在最低能量態的振動，即希格斯玻色子。]造成自發對稱性破缺，因此規範玻色子會獲得質量，同時生成一種零質量玻色子，稱為戈德斯通玻色子，而希格斯玻色子則是伴隨著希格斯場的粒子，是希格斯場的振動。通過選擇適當的規範，戈德斯通玻色子會被抵銷，只存留帶質量希格斯玻色子與帶質量規範矢量場。（根據量子場論，所有萬物都是由量子場形成或組成，而每一種基本粒子則是其對應量子場的微小振動，就如同光子是電磁場的微小振動，夸克是夸克場的微小振動，電子是電子場的微小振動，引力子是引力場的微小振動等等。）

這裡只是一個簡單的概述，想更深入的了解，需要學習量子場論。

標準模型是這樣一個理論框架，容納了電弱相互作用和強相互作用。

希格斯機制所預言的希格斯玻色子於2013年被CERN宣布暫時確定被發現（儘管當時有一部分實驗結果不盡符合理論預測）。

2013年10月08日，因為「次原子粒子質量的生成機制理論，促進了人類對這方面的理解，並且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊μ子線圈探測器發現的基本粒子證實」，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。

參考資料：

[1]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%8C%E6%A0%BC%E6%96%AF%E6%9C%BA%E5%88%B6

[2]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%8C%E6%A0%BC%E6%96%AF%E7%8E%BB%E8%89%B2%E5%AD%90

———————————————————————————————————————————

由質能守恆猜想沒有質量的物質是不是一定含有巨大能量或者完全是不含能量？

準確的說，光子不是沒有質量，應當是沒有靜止質量。實際上，光子是有動質量的，其動質量由能量決定，而其能量由頻率決定，即 $E=h u$ ， $E$ 為能量， $h$ 為Planck常數， $u$ 為頻率。

沒有靜止質量的粒子一定以光速運動，可以含有巨大的能量（比如 $gamma$ 射線），也可以不含有巨大的能量（比如衰減到幾乎為0的引力波）

———————————————————————————————————————————

關於希格斯機制產生質量的問題，有人提出過一個形象的解釋，雖然很不嚴謹但是比較好理解。

考慮一個房間，房間里有許多人，人多的程度恰好能讓一個人不受阻礙地通過（也就是不很擁擠）但同時人也不是很少（總之就是一個恰當的密度）。

這時候，有個人打開門想橫穿房間。如果這個人是個名人，大家就都會湧上來圍觀他，那麼他周圍的人的密度就增大了，他的行走受到了阻礙，速度變慢了。這就是某些粒子與希格斯場耦合而獲得了質量（因此速度變得低於光速）。

有的人呢，是小透明，所以穿過房間也沒人鳥他（比如光子），所以就施施然地走過去了，這就是不與希格斯場耦合的粒子，它們沒有質量，速度恆為光速。

大概就是這麼個圖景吧。不過這確實很不嚴謹，只是個形象化的大概描述而已……

———————————————————————————————————————————

@廖加豪提到了真空光速變慢的問題：降低真空中光速

我根據文中提到的關鍵詞和發文時間找到了相關的文獻：http://science.sciencemag.org/content/347/6224/857.short

然而不在校園網裡所以下不了文獻，有興趣的自己去下載看看吧……

第一個回答相當好了，這裡只是吐槽一下。歡迎大神指正。

首先，物質的質量是通過與希格斯場的相互作用得到的，這種相互作用靠希格斯粒子傳播。第一個回答非常詳細。

另外，我認為物質的質量與能量並無直接聯繫，能量的形式多種多樣，機械能，內能......E=m*c^2描述的是能量與質量轉化的規律，物質的能量與質量不能完全對等。

第三個問題表示不能理解_(:_」∠)_。

至於光子，下面是幾個事實:1.光子靜止質量為0。2.光子是不能靜止的(光速為c,在不同介質中速度會下降)。3.光子運動時是有質量的。

從相對論分析，當物體速度趨向於c的時候，質量會趨向於無窮大。然而光子是個例外(因為光子靜止質量為0)，我們平時談論的質量可以理解為光子的相對論質量。所以黑洞引力把光子吸引住不是錯的。還有「引力透鏡」也可以用萬有引力解釋(引力使得空間扭曲，兩點之間最近的路線變成了曲線，所以光的軌跡變成了曲線，感覺這樣似乎也行)。

微觀角度，沒有質量，只有角動量和自旋半徑

質量的大小取決於自旋半徑r，m=h/(2πrc)=(h/2π)/rc

物理學中的康普頓波長λ實質上就是指一個粒子的自旋周長 2πr ，m=h/(2πrc)。

電子康普頓波長 2.426310215E-12 帶入計算得電子質量 9.1093821544E-31

質子康普頓波長 1.3214099E-15 帶入計算得質子質量 1.6726215668E-27

------------------------------------------------

在一個物理模型中，如果電子只是一個粒子，那麼這個模型是不可能深刻解釋質量的！

必須要深入到更微觀層次，通過探尋電子的內部結構，才有可能。

比如說，物理模型里對自旋屬性的解釋，能不能明確定義有某種類似光子的東西在圍繞電子中心進行圓周軌道運動？

如果，不能在更深層次上有新的認識，只停留在電子是一個基本粒子這個層次，不可能很好的解釋質量的本質、磁的本質......

弦，能量產生質量

這個你得自己先想明白你問的質量是什麼或者說你得先想想你提的這個問題，再說明白點，曾經有個同學問我什麼是質量結果我跟他說了半天發現他根本不知道自己在問什麼，比如我如果告訴你質量來自希格斯粒子，你可以接著問什麼是希格斯粒子，然後我告訴你什麼是希格斯粒子，你還可以接著不停的問問到最後得到結論就是其實我們什麼都不知道，這也是很多學習物理的同學的問題，說白了就是思維混亂沒有層次。

就這個問題我稍微說一下自己的理解。首先反對那些講一步步講場論和自發對稱性破卻的答案，這是不正之風源於知乎公認的某物理大神，只是提高逼格，題主既然來這裡問而不去看書自然是想聽一下別人的理解，不是來再把書看一遍的。從物質組成上看: 人自己看得見摸得著的質量主要是來自其中的費米子以及它們之間的相互作用(費米子組成物質，玻色子傳遞費米子間的相互作用，這是基本的物理圖像)。到粒子層面上去理解，相互作用貢獻的那一部分質量就不用說了，這一部分是因為質量的定義是根據愛因斯坦質能關係也就是說質量描述物質能夠和能量互相轉換的能力，然而費米子以及玻色子的質量是通過和希格斯場耦合得到的，這個可以通過彈簧振子來理解，你把一個小球放到彈簧振子上，如果你放著不動那麼小球的質量跟放到彈簧上之前沒有任何不同，但是如果你擾動一下小球（粒子層面就是量子漲落也就是量子場的振幅）小球就有了動能，那麼根據質能關係小球的質量就增加了，但是至於自發對稱性破缺，是一種理論上可以實現這一種想法（質量來自於一種耦合）的方式，因為我們需要的是彈簧的勁度係數是個常數，但是自發對稱性破缺本身還是有一些其他有意思的地方，這個可以以後再學。

場的相互作用

標準簡易答案：是人類賦予了物質質量。

「簡單點，科普的方式簡單點，我們又不是科研人員，觀眾喜歡一眼就看見。」

就像冰就是固態的水一樣，質量就是固態的能量，只是看的角度不同。

光子沒有質量但是會受引力吸引，具體會表現為運動路線的偏折。垂直引力場方向的運動會速度不變但是會有快慢原因是引力場引起的時間流逝變化。黑洞視界內無法逃逸可以看作時間停止流逝。