解读爱因斯坦的质能方程 E=MC^2 ，其中的 M 隐藏着深刻奥秘！

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解读爱因斯坦的质能方程 E=MC^2 ，其中的 M 隐藏着深刻奥秘！

原创 宇宙时空探索 宇宙探索 2024 年 10 月 07 日 15:34 辽宁

一个氢原子的总质量竟然比构成它的一个质子和一个电子的总质量小一些，这听起来令人困惑，但事实的确如此。那么，一件物体怎么可能比构成它的部分的总质量还要轻呢？



E=MC^2 无疑是物理学中最著名的等式，但爱因斯坦在 1905 年的原始论文中，实际上给出的是其倒数形式 M=E/C^2 。这个等式之所以成为物理的基石，关键在于它阐述了质量的本质。

我们常常听说“质量就是能量的一种形态”，“质量是冻结的能量”，“质量可以转化为能量”，然而这些说法并不准确。



来看一个日常生活中的常见例子，它有助于我们理解 M=E/C^2 的内涵。以两个成分相同的物体为例，它们通常并不具有相同的质量。一个物体的质量并不仅仅是其组成部分质量的简单相加，而是取决于两个关键因素：组成部分的排列方式，以及这些组成部分在物体内部的运动方式。

我们来看两个具体的案例。假设有两块完全相同的上好发条的手表，其中一块正在走动，而另一块停滞不前。爱因斯坦曾经指出，走动的手表质量稍大。这是为何？



走动的手表里，指针和齿轮在运动，因此它们具有动能。紧绷的发条意味着储存了势能，而运动部件间的摩擦也产生了热量，这使原子活动更为剧烈，即热能，在微观尺度上，这些热能等同于无规运动的动能。

M=E/C^2 所表达的是，手表中所有动能、势能以及热能本身也构成了手表质量的一部分。把这些能量相加并除以光速的平方，得到的就是动能、势能和热能对总质量的贡献。然而，由于光速的值极大，这些额外的质量微乎其微，以至于可以忽略不计。这就是为什么人们通常误认为质量是物体中“物质的多少”的一个指标。

虽然在日常经验中我们难以察觉这些细微的质量差异，但它们确实存在，并且在足够精确的测量中是可以检测出来的。

再来说一个例子，当你打开手电筒时，它的质量就开始减少。为什么呢？



光携带着能量，这些能量最初存储在电池中，是手电筒质量的一部分——电化学能。当这些能量以光的形式释放出去，就不再计入质量。因此，太阳也可以被视作一个巨大的手电筒，它也发光，且质量每秒减少约 40 亿千克。

你可能担心太阳的质量减少会影响地球的运行，但请放心，这并不会影响到地球的日常运转，因为太阳每秒减少的质量仅占其总质量的极小部分。但是，这真的意味着太阳把质量转化成了能量吗？

并非如此！太阳发出的光能，其实是消耗了构成太阳粒子的动能和势能的结果。就在那束光发射之前，太阳中的一部分动能和势能还是其质量的一部分，太阳每秒减少的 40 亿千克质量其实仅是其组成粒子动能和势能的减少。我们始终在称量的，都是物体中粒子的能量，只是我们没有意识到而已。



我们还可以设想一个例子。假设在一个四周都是镜子的封闭盒子内，用天平称量一只手电筒。如果我们打开手电筒，天平的读数会有变化吗？

答案是：不会。虽然手电筒的质量减小了，但整个封闭盒子的质量保持不变。因为称量到的电化学能减少了，但同时也测量到了留在盒子内的等量光能的增加。尽管光本身没有质量，但如果能在盒子中提取出这些光能，它们所携带的能量仍会以 M=E/C^2 的形式成为盒子的总质量，故天平的读数不会改变。

接下来，我们回到文章开始提到的氢原子的例子。为什么一个氢原子的质量会比组成它的一个质子和一个电子的质量小呢？

这是因为势能有可能是负的。想象一下，质子和电子在它们距离无限远时势能为零，由于它们相互吸引，当它们靠近时，电势能就会降低。这就像你离地表越近，你的重力势能也越低，因为地球对你有吸引力一样。所以，在氢原子中，电子与质子间的负势能远大于电子围绕质子旋转的正动能，使得电子和质子的动能与势能之和为负值，进而使得 M=E/C^2 中 M 的值为负，造成氢原子的总质量小于其组成部分的质量之和。

实际上，除了某些特殊情况，元素周期表上所有原子的总质量都比组成它们的质子、中子和电子的质量要小。对于分子而言，一旦形成化学键，分子中原子的动能和势能之和也会变成负的，导致分子的质量比组成它的原子小。

至于质子和中子本身的质量，它们由叫做夸克的物质构成。夸克的质量远小于质子或中子的质量。那么，质子的质量究竟从何而来呢？



答案主要来自于“夸克势能”。但是，电子和夸克的质量又是从何而来呢？根据粒子物理的标准模型，它们似乎没有更小的组成部分，那又该如何解释它们的质量呢？

这是一个微妙的问题。简而言之，我们也可以将电子和夸克的质量视作对各种势能的反映。比如，电子和夸克与希格斯场相互作用产生的势能，或者与自身产生的电场的相互作用的势能，而对于夸克，则是与胶子的相互作用。

那么，当物质与反物质发生湮灭时，是否意味着物质被“转换”成了能量呢？

其实也不是。这一过程甚至可以用一种方法概念化为一种纯粹的能量形态的转变，而无需涉及质能转换的概念。事实上，我们没有必要将质量“转换”为能量。

换言之，我们所说的质量并不是一个实体，而是一种属性，这种属性是物体内部各种能量的表现。因此，尽管从物质角度来看，把质量理解为“量的多少”并不准确，但它实际上是能量多少的一种度量！所以，每次你称体重时，测量到的数值实际上是你的总能量，只是你没有意识到而已。

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