世纪难题：质量
话说300多年前，牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》，这部名垂千史的著作正式开启了现代科学的序幕。在这部书的第一部分当中，牛顿对各种各样的物理量进行了定义，其中第一个开头就是关于“质量”的定义。他写道，物质的量是起源于物质的密度和大小联合起来的一种度量。
虽然牛顿对质量进行了定义，但这个定义一直以来并没有让所有的科学家都满意。质量一直以来都困扰着科学家，他们一直在思考：质量的本质到底是什么？
四种基本作用
这个问题一直困扰着科学家200多年，直到上个世纪才逐渐揭晓谜底。科学家发现，我们这个世界其实是由物质构成的，物质之间会发生各种相互作用。最早，牛顿把这个作用叫做：力。在上个世纪之前，科学家发现宇宙中存在着两种基本力，分别是万有引力和电磁力，比如：地球绕着太阳转就是因为万有引力，而磁铁的“异性相吸同性相斥”就是电磁力。
可是到了个世纪，科学家发现，“力”的概念并不够用了，用“相互作用”取而代之，并且他们发现宇宙其实还存在着另外两种相互作用加上前两者，就一共有4种，分别是强相互作用，弱相互作用，引力相互作用，电磁相互作用。
可能很多人无法理解强相互作用到底是什么？
不知道你想过没有，原子是由原子核和电子构成的，而原子核内主要是质子和中子，质子带整电，而中子不带电，根据同种电荷相排斥的原理，质子之间其实存在着静电斥力（电磁力），理论上这么多的质子不太可能能够聚集在一起，这说明有一种比电磁力更强的力把质子束缚在了一起，它其实就是强相互作用。至于弱相互作用，它真的很弱，和衰变有关，太阳内核的核聚变反应就是由弱相互作用参与的。
所以，这四种相互作用就好像是万物的粘合剂，都是不可或缺的。正是它们的存在，万物才不会像一盘散沙。对于强相互作用和弱相互作用的研究，也打开了了解“质量”的大门。
科学家发现物质的质量基本上都集中在原子的原子核当中，而原子核又是由质子和中子，也就是说，质子和中子集中物质绝大部分的质量。
后来，科学家又发现，质子和中子还能够继续再分下成三个夸克，如果计算一下就会发现，夸克占据的质量也仅仅是质子和中子总质量的1%，那剩余的99%哪儿去了？
剩余的99%来自于强互相作用，根据质能方程E=mc^2，这里的E代表能量，m代表质量，c代表光速。这个公式告诉我们，能量和质量是相互等价的。强相互作用是以非常大的能量把3个夸克束缚在一起，这个能量等价于一定的质量，占据了质子和中子99%的质量。
搞清楚了99%的质量问题，剩余的1%才是最让科学家头疼，这是因为按照理论来看，基本粒子质量应该都是0，比如：夸克和电子其实都属于基本粒子。那问题到底出在哪里了呢？
规范场&希格斯机制
要了解科学家如何解决剩余1%的质量，我们就得先了解另外一个概念：场。场听起来很陌生，实际上，我们初高中在学物理学时也接触过，比如：引力是通过引力场来实现相互作用的，电磁力是通过电磁场来实现相互作用的。
科学家就在思考，是不是可以利用“场”来把各种相互作用统一起来，就好比一套通用的规则，然后设计不同的初始阐述，就可以解释不同的相互作用，这套通用的规则被称为规范场。德国的数学家外尔最早提出这个观念，并且用此来解释麦克斯韦的电磁场理论。
到了1954年，杨振宁和他的学生米尔斯又在外尔的基础上做出了另外一个巨大的贡献，他们发现，如果把规范场的初始设定稍微改一改，就可以用规范场来描述弱相互作用，这个贡献后来也被称为杨米尔斯理论。
后来，盖尔曼又在杨米尔斯理论的基础之上进一步拓展，这使得规范场理论还可以用来描述强相互作用。也就是说，科学家用了一套理论就描述了3种相互作用。
虽然规范场看起来很不错，也被很多科学家所接受，可是在规范场无法解释为什么基本粒子会有“质量”？
具体来说就是在规范的理论框架当中，我们可以把这种相互作用看成是把某种粒子来回扔的结果：
- 强相互作用就是把“胶子”来回扔；
- 弱相互作用就是把“W玻色子”和“Z玻色子”来回扔；
- 电磁力就是把“光子”。
可是虽然都是在扔“粒子”，但是“光子”和“胶子”却没有质量，而“W玻色子”和“Z玻色子”却是质量的，那这到底是咋回事呢？还有，电子和夸克的质量又是从哪来的呢？
著名的物理学家曾经在杨振宁的公开演讲中用这个问题为难杨振宁，让杨振宁一度下不来台，后来是原子弹之父奥本海默出面解围。
实际上，这只是那个时代的一个缩影，几乎当时最顶尖的物理学家都为此而头疼不已。他们甚至开始怀疑：是不是规范场理论错了？
不过，还是有很多科学家坚持规范场理论是对的。为此，他们不得不提出一个新的假设，他们认为宇宙中应该还存在着我们所不知道的“场”，这个“场”可以和粒子发生作用，并且赋予粒子不同的质量，这个理论也被称为希格斯机制，赋予粒子质量的“场”叫做希格斯场。这个希格斯场布满了整个宇宙空间。
那我们应该如何理解希格斯机制呢？
我们可以把希格斯场比喻成一个广场来。如果有个路人甲在人群中走过，其实没有人会在意。但是，如果有一个大明星在人群中走过时，就会被粉丝们堵住，如果是超级天王，那会有更多的粉丝堵住。光子在希格斯场中就类似于在广场上穿过的路人甲，它还能保持自己原来的速度穿过，也就是光速；而电子，夸克等离子就属于大明星，所以它们在通过希格斯场时，就会被“堵住”，于是，速度就会减慢，并且获得质量。质量越大的粒子就好比广场中人气更高的明星，堵得人越多，速度就放得越慢，因此，质量也就越大。
不过，以上都只是科学家的猜想，要想证明还需要实验观测，我们可以通过观测希格斯场的产物希格斯玻色子来证明。这就需要用到大型强子对撞机，2012年，欧洲核子研究中心就发现了一种新的玻色子，并且在2013年确定了这个新的玻色子就是希格斯玻色子，从而证明了希格斯机制是可信的，补充上了规范场中最后的一块拼图。
总结
希格斯机制也解释万物最后那1%的质量来源，人类也因此解开了“质量之谜”。我们总结一下就是：万物99%的质量来自于强相互作用束缚夸克的能量，1%的质量来自于希格斯场赋予粒子的质量。