爱因斯坦提出的质能方程E=mc^2,相信很多人都听说过。但是如果问你这个方程说明了什么,你会如何回答?
很多人可能会说,质能方程表明质量和能量之间可以相互转换。这种说法并不严谨,而且爱因斯坦从来没有这样说过。
质能方程也就是质能等价方程,方程里的质量并非本质,质量只是能量的另一种表现形式罢了,能量才是最本质的东西,我们测量的质量其实测量的都是能量,可以简单这么理解,万事万物本质上都是能量包而已。
当然,由于日常生活中我们离不开质量,质量对于我们来讲更直接,所以也可以通俗理解为质量和能量是一个事物的两面。
下面简单回顾一下相对论和质能方程的由来。
爱因斯坦在1905年提出了伟大的狭义相对论,彻底颠覆到了人们的传统认知,而也是在那一年晚些时候,质能方程也问世,它是狭义相对论的延续。
狭义相对论是基于两大公设提出来的,分别是:光速不变原理和相对论原理。狭义相对论可以推导出质能公式,这个公式如下图:
从公式中可以看出,静质量不为零的物体是无法达到光速的,而且物体的速度越快,质量也就越大,这里的质量指的是动质量。
而在牛顿经典物理学体系里,质量被认为是物体的固有属性,不变的量,与物体是否运动,速度的快慢没有任何关系。物体动能的大小只与速度有关,可以用公式来描述:
但是,爱因斯坦的狭义相对论推导出了物体的动能变动公式ΔE,等于动质量减去静质量也就是初始质量再乘以光速平方,用公式表达就是:
而且,在光速不变原理的背景下,物体的动能与牛顿经典物理体系下的动能并不一样。能量的变动是因为质量的变动,而质量的本质又是能量。下面的公式能很好体现这点。
那么质量是如何体现出来的呢?
牛顿的经典物理学体系下,质量都具有惯性,而惯性是物体阻抗运动状态的程度体现,就好像有某种能量在阻抗物体改变运动状态一样。而根据爱因斯坦的质能方程,我们知道质量是静能量表现出来的。
从微观世界来讲,万事万物都是由最基本的粒子组成的,比如说电子,夸克等粒子,而基本粒子的质量是从希格斯场中获取的。
宇宙中充满了希格斯场,而希格斯场的扰动会产生希格斯粒子,它又被称为上帝粒子,是万物质量的来源。基本粒子的质量是通过与希格斯粒子的相互作用获取的,希格斯粒子能让基本微观粒子减速,从而获得质量。
具体来讲,当微观粒子比如说夸克与希格斯粒子发生作用,就具备了势能,这种势能与电子在电场中获取势能本质上是一样的,而正是获取的势能让夸克等基本粒子获取的质量,因为势能可以表现为质量。
也就是说,我们赋予物体的能量越多,物体的质量就越大。
用通俗的例子来解读就是,在我们烧水的过程中,水的能量会不断增加,所以水的质量也增加了。只不过增加的能量转化的质量实在太小了,我们根本感觉不到质量的增加。
同样的道理,地球每时每刻都在接受太阳光的辐射,太阳光也就是能量,太阳向外辐射能量,它的质量就会变小,而地球接收来自太阳的能量,质量自然也会增加。
理解了上面两个例子,就会明白质能公式E=mc^2中的能量其实指的是静止物体的能量,也就是我们通常所说的静质量。所以,理论上讲,如果我们要制造出一千克的质量,就需要等价的能量才可以。
如今我们使用的能量绝大部分都来自太阳能,太阳能也就是核聚变能量,而核聚变的效率远不是百分之百,只有不到1%的质量(也就是能量)转化为了辐射能量,释放的能量其实来自于核子间的强相互作用,具体如何释放能量的,这又是另外一个话题了,这里就不再详述了。
总之,对于爱因斯坦的质能方程E=mc^2,我们需要明白一点,我们通常所说的“质量和能量可以相互转化”,其实并不严谨。准确来讲,仍旧是不同能量形式之间的转化,而质量并不是最本质的东西,最本质的是能量。
只不过在现实生活中,我们很难直观地感受到能量的转化,只能感受到质量。让一个物体质量变大的方法就是让物体获取能量!
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