物质的原料是什么？

对于有质量东西，你大概会考虑它们包含什么。这种思路在多数时候都是有益的，因为你可以想象一个具体的东西，它的质量等于各部分质量之和。如果你把羊驼切成两半，那么羊驼的质量是这两半羊驼质量的和。如果你把它切成4块，它的质量就是4块质量的和。如果你把羊驼切成n块，你就可以把这n块质量相加，算出它的质量。这没错吧？

错啦！好吧，这在大多数情况下是对的。如果n≤1023，那就没问题。可是一旦超过这个数，情况就不一样了。原因听起来非常奇怪：羊驼的总质量不仅仅包括它各个部分的质量，还包括使这些部分维持在一起的能量。这是一个非常奇怪的道理，我们花点时间了解一下。

如果你从未听说过这个道理，你大概会觉得我们在玩文字游戏—也许物理学中的质量和日常生活中的质量不是一回事？答案是：不，我们的意思就是你理解的意思，但质量并不完全符合你之前的印象。

说来话长，我们应该先澄清质量的定义。质量是抵抗物体速度发生改变的性质。如果你推了什么东西，它就会加速（改变速度），如果你用同样的力气去推不同的东西，你会发现它们的加速情况各不相同。你可以试着用玩具枪射击不同的东西，比如毛巾和沉睡的大象。每粒玩具枪子弹携带了等量的力，但是它们对毛巾的加速效果要比对沉睡的大象明显多了。你会从中看出质量的不同。

你在日常生活中感受到的质量就是这样的，就这么简单。一头大象比一条毛巾质量大，这并不是一个东西更难推动的原因，而是质量本身的一种体现：同样的力在大质量物体上会创造较少的加速度。这有时也被称为“惯性质量”，因为对加速度的抵抗通常被称为惯性。通过施加一个已知的力并且测量其加速度，我们能测出惯性质量。（注意，我们会在后面的章节讨论引力质量。）

定义了质量，我们就可以用这个定义测量羊驼的质量了。我们还需要使用合法购买的玩具枪，这把枪要经过美国国家航天局的工程师校准。一切准备妥当，我们的羊驼会被原子化，从而推动科学的发展。

束缚羊驼原子的结合能打破了，结合能释放了，被切成几块的羊驼总质量就会减少。如果羊驼只切成两半，那么你可能不会注意到这一点。但是如果能够把羊驼完全原子化，然后再把各个部分相加，你就能看出结合能决定了多少质量。这不是什么理论推测，而是实验观测到的现象。

对于一只羊驼，这个效应并不明显。即使你打破了束缚羊驼原子的所有的化学键，羊驼的质量和所有羊驼原子的质量和也不会相差很大。即使你打破了所有的原子使它们变成质子、中子和电子，也不会损失很多质量（大约0.005%）。

但是对于更小的粒子，情况就完全不同了。如果把羊驼的每个质子和中子分割成夸克（每个质子和中子都是由三个夸克组成的，还记得吧？），我们将会看到巨大的质量差。事实上，质子和中子的大部分质量来自束缚夸克的结合能。

换句话说，如果你比较三个夸克的质量（用玩具枪射击的办法测其质量）之和，和三个夸克束缚在一起组成的质子或中子的质量（也用玩具枪射击的办法测其质量），那么你会看到非常大的差别。夸克的质量只占质子或中子质量的约1%，其余质量都来自使夸克聚集在一起的能量。

这些例子让我们了解了储存在粒子之间的结合键中的能量，它使结合在一起的物体质量比各部分的质量和更大。

这完全不符合人们的直觉。假如你拿了三颗豆子，然后分别测量它们的质量，那么三颗豆子的质量一共是多少呢？是三者的质量和。这很简单。可是，如果你把三颗豆子放进一个小袋子里，然后用非常大的能量把这三颗豆子压在一起，那么你会突然发现袋子的质量比三颗豆子的质量大了很多。它称起来更重了，也更难移动了。这一切的原因就在于，袋子的质量并不仅仅来自里面豆子的质量，还来自把豆子束缚在一起的能量。

疯狂的是，你身体的大部分都是由这些装着豆子（质子和中子）的小袋子构成的，这意味着你大部分质量并不来自构成你的“东西”（夸克和电子），而是将你各个部分束缚在一起的能量。在宇宙中，物体的质量包括这种起束缚作用的能量。

令人吃惊的是，我们并不知道这是为什么。

我们的意思是，我们真的不知道为什么这种能量会影响物体对力的反应（获取加速度的大小）。推一下你的小袋豆子，你也不是非得感觉到其中的能量不可。我们似乎不应该关心束缚这些豆子的是口水还是强力胶，但我们就是要关心这个。这是质量最大的谜团。尽管我们能测量它，我们真的不知道惯性是什么，也不知道它和质量、能量之间为什么有这种奇特的联系。可以说，我们所知道的惯性质量知识能堆成一座豆子小山。