光的速度每秒30万公里为什么这么快，科学家：因为万物太慢了！

在宇宙中，光速就像一道关键的标尺，它是携带信息与能量的极限速度，在真空中约为 30 万 km/s 。

长久以来，人们一直追问：光为何能达到如此惊人的速度，其动力又源自何处？

量子力学作为现代物理学的核心理论之一，其波粒二象性的观点令人着迷。在这个理论体系中，量子既是粒子，又表现为波。

光量子，简称光子，通过麦克斯韦方程对光速求解，得出光速为常数，也就是说，光速恒定不变。从粒子的视角来看，光子的静止质量为零，而它在真空中的速度恰好就是光速。

爱因斯坦基于光速不变这一奇妙原理，推导出了具有划时代意义、改变世界格局的《狭义相对论》。在这一理论中，质速关系明确指出，静态质量不为零的物质，无论如何都无法达到光速；而静态质量为零的粒子，却天生以光速运动。

基于《狭义相对论》的进一步深入推导，爱因斯坦又发表了举世闻名、流芳百世的质能方程：E=mc² ，这一方程深刻地揭示了能量与质量之间的等价关系。质速关系将速度与质量紧密相连，而质能方程则更进一步，把能量也巧妙地纳入其中。

但令人费解的是，能量、光速与质量，这三者看似毫无关联，它们之间究竟存在着怎样神秘的内在联系呢？

牛顿的封神之作《自然哲学的数学原理》影响深远。在这部著作中，牛顿提出 m=ρv ，表明质量是对物质的量的一种度量，与物质的体积和密度密切相关。他的第一定律描述了质量赋予物体惯性的特性，即物体具有保持原有运动状态（无论是匀速运动还是静止）的能力。

例如，一颗质量巨大、匀速冲向地球的小行星，即便它不受任何外力作用，凭借人类穿着宇航服，也根本无法走到它旁边一巴掌将其扇飞，这正是因为质量越大，物体的惯性就越大。然而，牛顿只是阐述了质量的作用与效果，对于质量的本质究竟是什么，他并未给出明确答案。

爱因斯坦则通过质能方程 E=mc² ，揭示了质量与能量之间存在着光速平方的关系。但同样的，他也未能清晰地说明质量到底是什么。

要知道，等价并不等同于相等，质量并非能量，可它们之间关系的本质究竟是什么呢？爱因斯坦也未能将其阐释清楚。

实际上，牛顿与爱因斯坦之所以无法讲清楚这些问题，是因为当时人类的观察尺度存在局限性，科技水平也尚未达到相应的高度。直到 21 世纪，随着科学技术的迅猛发展，人类才终于在这个问题上取得了重大突破，不仅弄清楚了光速、质量与能量之间的关系，并且有了确凿的证据。

2012 年，欧洲核子研究中心发现了质量之源 —— 希格斯玻色子，成功解开了这一困扰科学界已久的世纪难题。

从本质上来说，物质本不应在宇宙中形成，一切似乎都本应不具备质量，物质都应以光速运动。

所以，我们不应再纠结于光速为什么如此之快，而应反过来思考：物质为什么运动速度如此之慢？这是因为宇宙间的基本粒子，有一部分被 “束缚” 住了。

物质的质量追根溯源来自粒子的质量，而粒子质量的产生源于被能量所束缚。粒子被束缚的另一个结果就是，其运动速度被拖慢，无法达到原本应有的光速。

这里所说的能量，源于基本粒子间的相互作用。

牛顿与伽利略习惯将这种相互作用称为 “力”，而从更科学、更能揭示物质本质的角度来讲，用 “规范场”，简单说就是 “场” 来描述更为恰当。

从粒子的角度深入分析，宇宙中的一切物质都是由基本粒子构成的，这些基本粒子的尺度比原子、分子还要小得多。在微观世界里，这些粒子之间相互接触时，会产生四种最基础的相互作用（力）。正是这些粒子与相互作用，共同构成了宇宙间的一切现象与物质。

换句话说，宇宙间一切物质与现象的底层逻辑，都可以用这四大相互作用力来解释，而相互作用的产生，则源于粒子本身所具有的内在特性。

以我们生活中常见的磁铁为例，磁铁表现出的同斥异吸现象，背后的根源就是电磁力。

从微观本质来看，电磁力是粒子之间交换光子所产生的力。

我们可以形象地理解为，光子在粒子之间被像皮球一样丢来丢去。这种相互作用之所以会发生，是因为粒子带有电荷，比如电子带负电、质子带正电。

再看原子，原子的主要质量集中在原子核，原子核由质子（中子）构成，而质子（中子）又由三个夸克组成。不同的夸克如同正负电荷一样，具有不同色荷的特性。胶子也具有色荷，它会不断改变夸克的色荷属性，在粒子间被频繁传递。

胶子传递的能量能够像强力胶水一样，牢牢地 “捆绑” 质子中的夸克，同时还能使由 “被捆绑的三价夸克” 组成的质子或中子，不会发生排斥作用。这是因为在原子核内，质子与质子都带正电，由光子产生的电磁力的排斥力本应将质子们分开，但胶子产生的相互作用强于电磁力，这才使得宇宙中能够稳定存在原子核。

我们将胶子的这种相互作用称为强相互作用（强力），原因就在于它比电磁力更为强大。

除了电磁力和强相互作用，宇宙物质的构成还涉及弱相互作用与万有引力，在此暂不一一详细描述。既然我们对万物的构成有了一定认识，那么质量的源泉究竟是什么呢？

原子由核外电子与原子核构成，电子的质量极其微小，在很多情况下可以忽略不计，原子核的质量则是质子与中子质量之和，而中子与质子又由三个夸克组成。

那么，质子与中子的质量就简单地等于三个夸克的质量之和吗？

事情远没有这么简单。一个质子的质量经测量为 938.272MeV/c² ，换算成质量约为 1.6726x10⁻²⁷kg 。

科学家通过让高能强子对撞产生深度非弹性散射，进而激发正反夸克湮灭，利用爆发出的伽马能谱精确地测量出了夸克的质量。

经过计算发现，质子中的三个夸克静止质量之和仅约为 9.4MeV/c² ，这就意味着夸克本身的质量仅仅占质子质量的 1%。那么，质子（中子）那 99% 的质量究竟来自哪里呢？

爱因斯坦的质能方程 E=mc² 为我们提供了答案。虽然胶子的静止质量为零，但根据质能等价原理，质量可以看作是能量的另一种表现形式。

这 99% 的质量可以通过公式 m=E/c² 计算得出，这里的 E 指的就是胶子的强相互作用。也就是说，在质子（中子）中，99% 的质量其实是能量的一种体现。

质能关系与基本粒子的相互作用，虽然成功解释了宇宙中大部分质量的来源，但仍存在一个棘手的问题：质子中 1% 的夸克本体质量、电子等一切具有静止质量基本粒子本身的质量从何而来？

按照之前的理论，它们似乎本应是空有一身零质量的 “躯壳”，仅仅作为能量的载体存在。我们已经解释清楚了 99% 质量来源于粒子间的相互作用，那么粒子本身的质量究竟源自何方呢？

这个问题长期以来一直困扰着科学界，甚至一度差点颠覆了 “量子力学” 这一现代物理学的基石。

1916 年，爱因斯坦发表了《广义相对论》，这一理论照亮了物理学发展的道路。

德国物理学家赫尔曼・外尔，这位出师于大卫・希尔伯特的杰出学者，在看到《广义相对论》论文后，如痴如醉，仿佛从中窥见了 “上帝的说明书”。

《广义相对论》中描述引力场的本质是时空几何，外尔凭借其深厚的数学功底，尤其是对几何学的独特理解，敏锐地察觉到几何学中的 “场”，不仅能够描述引力，甚至有可能统一一切物理底层理论。当时，摆在他面前就有现成的电磁场理论（麦克斯韦）。

受到启发，外尔在 1918 年发表了《空间、时间、物质》，之后在 1928 年又发表了更为深入探讨本质的《群论和量子力学》。然而，在当时，很多物理学家认为群论过于抽象，“统一场论” 更是遥不可及，因此几乎没有人愿意花费时间去研究他的理论。

但科学的发展总是充满了惊喜与意外。后来的事情大家都已熟知，1954 年，杨振宁与他的学生米尔斯基于外尔的 “规范场” 理论，成功发展出了著名的杨米尔斯理论。

这一理论的诞生，使得场论除了能够解释电磁力之外，又将弱力（相互作用）囊括其中。紧接着，盖尔曼站在巨人的肩膀上，将杨米尔斯理论进一步扩展到强力（相互作用）领域。

至此，在四大基本相互作用中，只剩下当初启发外尔的引力场，由于始终未能找到引力子，所以无法将其统一，实现物理学界梦寐以求的大统一理论。

与此同时，粒子本身具有的质量起源问题，也依旧没有得到解决。不过，基于场论，科学家们找到了一个全新的研究方向。

英国物理学家彼得・希格斯提出了一个大胆而又极具创新性的假设：在宇宙大爆炸前，一切物质都不存在，也都不具备质量。

那么，为何在大爆炸发生一秒之后，一切物质就突然有了质量呢？既然静质量为零的胶子能够形成 “胶子场”，并且在场中积蓄足够能量后就会放出胶子，那么是否在宇宙间还存在着某种特殊的场呢？

这种场在宇宙诞生一秒后，能够以不亚于光速的速度迅速渗透整个空间，与诞生的基本粒子（夸克、电子）相互作用，从而使它们获得一定质量，而这种作用却不会发生在亚原子（质子、中子）身上。

令人振奋的是，2012 年，人类终于发现了新的粒子 —— 希格斯玻色子，这一发现使得希格斯机制终于得到了验证。

原来，在宇宙间，希格斯场无处不在。不过，由于不同粒子本身的特性千差万别，因此希格斯场并非与所有粒子都会发生相互作用。可以形象地说，希格斯场就如同广阔无垠的海洋，充满在整个宇宙之中。

夸克、电子等粒子在这片 “海洋” 中运动时，会受到海水般的冲击，从而产生阻力。这种阻力使粒子具备了一种类似势能的能量，而这种能量体现在粒子身上，就表现为质量。粒子受到的阻力越大，所具有的质量也就越大，爱因斯坦的质能方程在这里又一次完美地描绘了质量与能量之间的关系。

值得注意的是，希格斯机制对光子、胶子等粒子并不产生束缚作用，因此它们能够以绝对光速在真空中自由穿行，这也就是为什么它们不具备静止质量。

希格斯玻色子堪称 “上帝粒子”，它是质量之源，是构建宇宙最底层逻辑的关键要素。

它在赋予部分粒子质量的同时，又对部分粒子 “视而不见”，正是这种独特的作用方式，构成了宇宙的基本框架。它让一部分粒子成为了神奇的 “粘合剂”，将质量粘合在一起，进而形成了浩瀚的星系、神秘的星球，以及我们人类自身。

宇宙中的一切本应都以光速运行，然而，因为希格斯场的束缚，许多粒子的速度被 “拖了后腿”。而光，只是在以它原本应有的速度运行，它并不需要任何额外的动力来源，这便是宇宙微观世界中关于光速、质量与能量的奇妙奥秘。