宇宙到底有多重？太阳重2000亿亿亿吨，宇宙是它的1000万亿亿倍

纯牛马ID26 · 昨天 22:39

有人买了一个体重秤，每天早晨都会站上去，希望自己能变轻一点。然而一个月过去，体重反而增加了一公斤。
像这种管不住嘴又不爱运动的人，怎么才能把体重减下去呢？同事告诉他，很简单，把体重秤搬到月球上去，体重立马减掉八成。
这话不是没有道理，这么做的确能减少他的重量，但一个大活人不会少一两肥肉，质量还是没变。此刻他陷入了如何减肥之外的另一个宇宙终极问题：什么是质量？质量究竟来自哪里？

翻开中学物理课本，可以看到这样的解释：质量是物体惯性的大小。通俗地说，质量越大的物体，要让它动起来就越困难，即便是在一个没有摩擦力的世界里。
而体重秤测量的是重量，并非质量。牛顿认为，重量不过是物体受到了地球引力，质量越大的物体受到的引力也越大，但两者绝不是一回事。
假如在月球上摆放一个巨大的天平，可以测出一个人的质量，那么这个数值会和在地球上一样。这也很好理解：无论身在何处，身体里包含的物质数量没有变，原子分子没有变，质量也不应该改变。
然而牛顿只说了质量是什么，却不能解释质量来自哪里。物体为什么会有惯性？牛顿解释不了，中学课本上也只说了一句：惯性是物体的固有属性。

既然如此，就得打破砂锅问到底：质量到底源自哪里？既然宏观角度无法给出答案，就只能从微观世界里去寻找。
人是由原子组成的，原子又可以分成电子、质子、中子，显然人的质量来自这三种基本粒子。对于这些粒子的组成和性质，上世纪五十年代的标准模型已经给出了比较完美的答案。
很不巧的是，最初标准模型无法解释质量的来源，甚至还给出了一个错得离谱的答案：所有物质的静止质量都是零，这里有必要解释一下静止质量。

牛顿认为，物体的质量不会因为运动快慢而变化，但爱因斯坦的相对论认为，运动越快的物体质量越大。当静止质量不等于零的物体接近光速时，质量将接近无穷大。
物体静止质量等于零意味着什么呢？意味着随便推一把，这个物体就可以加速到光速。
这显然不是我们这个世界该有的物理学，所以肯定还有尚未被发现的东西。1964年，英国物理学家希格斯提出了一种新的理论，他认为整个宇宙都充满了一种希格斯场。通俗来说，希格斯场就像一锅粘稠的浓汤，拖慢了物质运动的速度，让物体加速变得困难。

质量就是惯性，惯性就是让物体动起来的难易程度，所以希格斯场赋予了物体静止质量。那么这个希格斯场存在的证据在哪里呢？
希格斯场这锅浓汤掀起波澜，就会产生希格斯粒子。到2012年，科学家们终于在对撞机里发现了这种粒子，希格斯也因此拿到了2013年的诺贝尔奖。
希格斯的理论成为了标准模型的最后一块拼图，物质最基础的质料，原来来自希格斯机制。但一个人的质量问题并没有就此彻底解决。

对于电子这样的粒子来说，说它的质量来自希格斯机制没啥毛病，可电子在人体质量中占的比例太低了。一个七十多公斤重的人，全身的电子加起来不过一二十克，还没有早上吃的一个鸡蛋重。
人的质量必然主要来自比电子重得多的质子和中子。每个小学生应该都知道，质子其实是由三个夸克组成的：两个上夸克和一个下夸克。
上夸克的静止质量约为2.4兆电子伏，下夸克约为5.0兆电子伏，而质子的质量是938兆电子伏。三个夸克的质量加起来，根本就不等于质子的质量，甚至只有质子质量的1%。

剩下99%的质量究竟去哪儿了？相对论已经给出了答案：运动越快的物体，质量也越大。
在质子内部，夸克不可能像王八一样一动不动，这是量子力学决定的。微观世界的粒子遵循海森堡不确定性原理——一个物体的位置和速度的不确定性相乘，一定大于某个常数。
质子的直径不到一纳米的百万分之一，夸克被束缚在这么小的区域里，位置实在太确定了，所以速度就必须非常不确定，夸克在原子核里必须以接近光速的速度不停运动。
经过中美科学家前些年的实验证明，夸克运动起来之后，为质子贡献了32%的质量。质量原来有一部分来自于运动。

虽然夸克跑得飞快，但还是凑不够质子的全部质量，那么剩下的部分来自哪里呢？答案是：场。这里的场，和电磁场是一个道理。
夸克除了自身的运动，彼此之间还存在一种极强的相互作用——强相互作用力。物理学家用"颜色"这个词来给夸克贴标签，红、绿、蓝三种"色荷"必须凑齐才能让粒子稳定存在。
这和正电与负电数量相等、物体呈现出中性才能稳定，差不多。当然夸克不可能真的带有颜色，只是借用三原色才能比较通俗地解释夸克之间的作用力。
强力将夸克牢牢地吸引在一起，强力靠一种叫做胶子的粒子来传递，形成了一种强大的力场。力场中存储着夸克之间相互吸引的巨大能量。

爱因斯坦说过，能量等价于质量，所以这个场也具有质量。日常生活中我们感受不到电磁场的质量，是因为电磁场太微弱了，而夸克之间的力场却强得可怕。
传递力场的胶子为质子贡献了多少质量呢？大约是59%。场居然贡献了人体一半以上的质量，是不是超乎意料？
运动为夸克增加了质量，再加上场的质量，会发现还是不对——质子的质量还差9%没有着落，最后剩下的这一点质量又去哪儿了呢？答案是：真空。
普通人理解的真空是空无一物，而物理学家理解的真空则完全不同。真空并不是空无一物，相反它非常热闹。

在真空中，时刻都有正夸克和反夸克生成，就像一锅热汤不断冒出气泡。这些生成的夸克和质子内的夸克组合在一起，甚至让质子能够更加稳定地存在。
这种复杂的体系，物理学家把它叫做夸克凝聚体，它又为质子贡献了9%的质量。这部分可以看作是从真空中借出来的能量，真空中能量的涨落也为质量贡献了一点小小的份额。
到这里，身体质量来自哪里的问题终于搞定了。人身体里只有1%的能量是物质本身的静止质量，99%都来自能量——有运动的能量、场的能量，还有真空的能量。
换句话说，你身上绝大部分的分量，其实是能量在"扮演"质量。个人的质量问题算是有了答案，但无论是质量还是质子，人类都还远远没有搞清楚。

随着研究的深入，漏洞开始显现。2022年，一群荷兰物理学家通过对五十年来质子碰撞实验的总结发现，三个夸克组成的质子模型似乎太简单了。
质子内部除了两个上夸克和一个下夸克以外，可能还有一对粲夸克—反粲夸克存在，而一个粲夸克的质量就比质子的质量多出了三分之一。这让物理学家非常头疼。
即便抛开质子内部的复杂结构不谈，现在关于简单粒子质量的解释也出现了一点瑕疵。标准模型预测一种叫做中微子的粒子没有静止质量，可科学家们通过实验已经十分确定：中微子的静止质量不为零。人类对于质量的认识，还远远没有走到尽头。

根据长期天文观测的修正结果，宇宙诞生于约138亿年前的一次大爆炸，时空在此后飞速膨胀，如今整体直径的理论推测值高达23万亿光年，而人类可观测到的部分不过930亿光年。以太阳为标尺或许更直观一些。
太阳的质量大约是2000亿亿亿吨，也就是2乘以10的27次方吨，这已经是地球质量的33万倍。而根据科学家的估算，可观测宇宙的总质量，相当于太阳的1000万亿亿倍左右，这个天文数字远远超出了日常直觉所能承载的范围。
即便如此，这个数字仍然是一个粗略的下限。银河系里恒星与星系的平均质量虽然可以通过观测数据统计出来，但真正能被大致估算的天体只是很小一部分，更庞大的暗物质与暗能量根本无法被直接观测。

按照测算，暗物质和暗能量在宇宙物质总量中占据了绝大多数，可见的普通物质仅占很小一角。
从一克肥肉到千亿亿亿吨的太阳，再到1000万亿亿倍太阳质量的宇宙，质量这件事被一路追问下去，答案越来越颠覆常识——它并不像秤盘上那样实在，而是由希格斯机制、夸克运动、胶子力场和真空涨落共同编织的能量图景。
宇宙有多重，人类给出的只是一个阶段性的估算；关于质量的真正谜底，还静静地躺在下一次实验之后。

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