物質(zhì)的原料是什么？

對(duì)于有質(zhì)量東西，你大概會(huì)考慮它們包含什么。這種思路在多數(shù)時(shí)候都是有益的，因?yàn)槟憧梢韵胂笠粋€(gè)具體的東西，它的質(zhì)量等于各部分質(zhì)量之和。如果你把羊駝切成兩半，那么羊駝的質(zhì)量是這兩半羊駝質(zhì)量的和。如果你把它切成4塊，它的質(zhì)量就是4塊質(zhì)量的和。如果你把羊駝切成n塊，你就可以把這n塊質(zhì)量相加，算出它的質(zhì)量。這沒(méi)錯(cuò)吧？

錯(cuò)啦！好吧，這在大多數(shù)情況下是對(duì)的。如果n≤1023，那就沒(méi)問(wèn)題。可是一旦超過(guò)這個(gè)數(shù)，情況就不一樣了。原因聽(tīng)起來(lái)非常奇怪：羊駝的總質(zhì)量不僅僅包括它各個(gè)部分的質(zhì)量，還包括使這些部分維持在一起的能量。這是一個(gè)非常奇怪的道理，我們花點(diǎn)時(shí)間了解一下。

如果你從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)道理，你大概會(huì)覺(jué)得我們?cè)谕嫖淖钟螒颉苍S物理學(xué)中的質(zhì)量和日常生活中的質(zhì)量不是一回事？答案是：不，我們的意思就是你理解的意思，但質(zhì)量并不完全符合你之前的印象。

說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)，我們應(yīng)該先澄清質(zhì)量的定義。質(zhì)量是抵抗物體速度發(fā)生改變的性質(zhì)。如果你推了什么東西，它就會(huì)加速（改變速度），如果你用同樣的力氣去推不同的東西，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的加速情況各不相同。你可以試著用玩具槍射擊不同的東西，比如毛巾和沉睡的大象。每粒玩具槍子彈攜帶了等量的力，但是它們對(duì)毛巾的加速效果要比對(duì)沉睡的大象明顯多了。你會(huì)從中看出質(zhì)量的不同。

你在日常生活中感受到的質(zhì)量就是這樣的，就這么簡(jiǎn)單。一頭大象比一條毛巾質(zhì)量大，這并不是一個(gè)東西更難推動(dòng)的原因，而是質(zhì)量本身的一種體現(xiàn)：同樣的力在大質(zhì)量物體上會(huì)創(chuàng)造較少的加速度。這有時(shí)也被稱為“慣性質(zhì)量”，因?yàn)閷?duì)加速度的抵抗通常被稱為慣性。通過(guò)施加一個(gè)已知的力并且測(cè)量其加速度，我們能測(cè)出慣性質(zhì)量。（注意，我們會(huì)在后面的章節(jié)討論引力質(zhì)量。）

定義了質(zhì)量，我們就可以用這個(gè)定義測(cè)量羊駝的質(zhì)量了。我們還需要使用合法購(gòu)買的玩具槍，這把槍要經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)家航天局的工程師校準(zhǔn)。一切準(zhǔn)備妥當(dāng)，我們的羊駝會(huì)被原子化，從而推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。

束縛羊駝原子的結(jié)合能打破了，結(jié)合能釋放了，被切成幾塊的羊駝總質(zhì)量就會(huì)減少。如果羊駝只切成兩半，那么你可能不會(huì)注意到這一點(diǎn)。但是如果能夠把羊駝完全原子化，然后再把各個(gè)部分相加，你就能看出結(jié)合能決定了多少質(zhì)量。這不是什么理論推測(cè)，而是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的現(xiàn)象。

對(duì)于一只羊駝，這個(gè)效應(yīng)并不明顯。即使你打破了束縛羊駝原子的所有的化學(xué)鍵，羊駝的質(zhì)量和所有羊駝原子的質(zhì)量和也不會(huì)相差很大。即使你打破了所有的原子使它們變成質(zhì)子、中子和電子，也不會(huì)損失很多質(zhì)量（大約0.005%）。

但是對(duì)于更小的粒子，情況就完全不同了。如果把羊駝的每個(gè)質(zhì)子和中子分割成夸克（每個(gè)質(zhì)子和中子都是由三個(gè)夸克組成的，還記得吧？），我們將會(huì)看到巨大的質(zhì)量差。事實(shí)上，質(zhì)子和中子的大部分質(zhì)量來(lái)自束縛夸克的結(jié)合能。

換句話說(shuō)，如果你比較三個(gè)夸克的質(zhì)量（用玩具槍射擊的辦法測(cè)其質(zhì)量）之和，和三個(gè)夸克束縛在一起組成的質(zhì)子或中子的質(zhì)量（也用玩具槍射擊的辦法測(cè)其質(zhì)量），那么你會(huì)看到非常大的差別。夸克的質(zhì)量只占質(zhì)子或中子質(zhì)量的約1%，其余質(zhì)量都來(lái)自使夸克聚集在一起的能量。

這些例子讓我們了解了儲(chǔ)存在粒子之間的結(jié)合鍵中的能量，它使結(jié)合在一起的物體質(zhì)量比各部分的質(zhì)量和更大。

這完全不符合人們的直覺(jué)。假如你拿了三顆豆子，然后分別測(cè)量它們的質(zhì)量，那么三顆豆子的質(zhì)量一共是多少呢？是三者的質(zhì)量和。這很簡(jiǎn)單。可是，如果你把三顆豆子放進(jìn)一個(gè)小袋子里，然后用非常大的能量把這三顆豆子壓在一起，那么你會(huì)突然發(fā)現(xiàn)袋子的質(zhì)量比三顆豆子的質(zhì)量大了很多。它稱起來(lái)更重了，也更難移動(dòng)了。這一切的原因就在于，袋子的質(zhì)量并不僅僅來(lái)自里面豆子的質(zhì)量，還來(lái)自把豆子束縛在一起的能量。

瘋狂的是，你身體的大部分都是由這些裝著豆子（質(zhì)子和中子）的小袋子構(gòu)成的，這意味著你大部分質(zhì)量并不來(lái)自構(gòu)成你的“東西”（夸克和電子），而是將你各個(gè)部分束縛在一起的能量。在宇宙中，物體的質(zhì)量包括這種起束縛作用的能量。

令人吃驚的是，我們并不知道這是為什么。

我們的意思是，我們真的不知道為什么這種能量會(huì)影響物體對(duì)力的反應(yīng)（獲取加速度的大小）。推一下你的小袋豆子，你也不是非得感覺(jué)到其中的能量不可。我們似乎不應(yīng)該關(guān)心束縛這些豆子的是口水還是強(qiáng)力膠，但我們就是要關(guān)心這個(gè)。這是質(zhì)量最大的謎團(tuán)。盡管我們能測(cè)量它，我們真的不知道慣性是什么，也不知道它和質(zhì)量、能量之間為什么有這種奇特的聯(lián)系。可以說(shuō)，我們所知道的慣性質(zhì)量知識(shí)能堆成一座豆子小山。