您太小看如此英豪的方,那是先有物质依然先有

一个氢原子的质量比组成它的一个质子和一个电子的总质量要小,你没没错,确实要小一些。但怎么会有东西比组成的各部分的总质量还轻呢?

图片 1图片来源:123RF

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根据爱因斯坦的E=mc²,是不是所有物质其实都具有巨大的能量?

E=MC²可能是所有物理学中最著名的方程,但在1905年的原版中,爱因斯坦写的实际上是另一种形式,他写的是M=E/ C²,这是因为作为物理学的基石,它的核心在于告诉我们质量是何含义。

是的,只不过其背后的道理非常深刻!

你会经常看到这样的描述:质量是能量的一种形式,或者质量是冻结的能量,又或者质量可以转化成能量,这些表述都不怎么正确。

爱因斯坦的E=mc²是狭义相对论的结果,不管物体是运动的还是静止的都成立:对于静止的物体,m就是物体的固有质量或者静止质量,所以必然具有巨大的能量,而运动的物体的质量随速度增加,因此能量也增加(相当于增加了动能)。由于光子的速度是光速,所以光子不可能具有静止质量,而静止质量不为零的物体或者粒子的速度也不可能达到光速,速度趋近于光速时其能量趋近于无穷大。

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那么E=mc²是否正确呢?正确!因为大量的实验已经精确地验证了这个公式,比如小到实验室中的核裂变和核聚变反应都测量到了质量减少所产生的能量和E=mc²完全一致,而原子弹、氢弹、核电站都是对E=mc²的验证。反过来,实验室中也经常可以观察到m=E/c² ,也就是能量向物质的转化,比如伽马射线光子产生正负电子对以及其它的正反物质对,真空涨落也不断通过能量的变化产生正反物质对。因此E=mc²已经得到了全面和大量的验证。

在日常生活中那些看似奇怪的例子开始能帮助我们更好地理解M=E/ C²的含义。举一个简单的粒子,即使两个物体由相同的成分构成,它们通常不会有相同的质量,物体的质量并不是其各部分的质量之和,相反,一个复合物体的总质量取决于以下两个方面。第一,其各部分的排列方式;第二,这些部分在物体中的运动方式。

但是有一个问题非常重要:是先有物质还是先有能量?

从宇宙的尺度上,很显然是先有能量再有物质,因为大爆炸开始的时候并没有我们现在的物质,甚至连组成我们的原子的电子、质子和中子都没有,这些都是大爆炸之后由能量根据m=E/c²变过来的,所以能量比质量更加基本。

但是事情其实比上面解释的更加有趣!我们知道,质子和中子并不是基本粒子,其内部是夸克和胶子。胶子没有质量,夸克有质量,但是如果把其内部的夸克的质量都加起来,你立刻发现这远远不够质子和中子的质量。质子和中子的质量是哪里来的?答案是能量!

由于质子的体积非常小,夸克和胶子要想在被困在这么小的体积里面,根据海森堡不确定性原理,它们就得具有很大的动量,因此就必须具有很大的能量。把这些能量加起来然后按照m=E/c²计算,就得到了质子和中子的质量!质子和中子的质量主要来自于其内部的夸克和胶子的能量!

但是夸克毕竟是有质量的,夸克的质量来自于哪里?实际上,这个问题对所有具有质量的基本粒子(包括电子)都不是一个简单的问题,因为最基本的粒子物理模型里面所有粒子的质量都是零。后来物理学家们就提出来有一种特殊的场(希格斯场,其存在已经被实验所证实),本来质量为零的基本粒子和这个场作用获得了质量,最终还是能量转化成了质量!

两个具体的例子。设想两个上好发条完全一致的手表,其中一个一直在走动而另一个停止不动。爱因斯坦曾经说过,走动着的质量会大一些,为什么呢?

事实上,爱因斯坦最早的表述就是m=E/c²

他想说的就是质量的来源是能量,只不过被后人逐渐写成了E=mc²!爱因斯坦的深刻洞察力的确是远超同时代的人!今天我们利用E=mc²把物质变成能量,不过是自然造出物质的逆过程而已,并没有什么奇怪的。

如前所述,E=mc²是狭义相对论的结果,但是却能够适用于所有尺度、所有作用力、所有粒子,没有发现任何的违背和偏离,因此是完全没缺陷。而其它所有已知的科学规律都有适用的范围,所以E=mc²又是极为不常见的。因此按照本人的美学理论(请上网搜索“张双南美学”),E=mc²就是最美的科学公式!(编辑:晓岚)  

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走着的表中指针和齿轮都在运动,所以它们有动能,同时卷紧的弹簧还有势能,并且手表的运动部件之间由于摩擦产生了一些热量,使它们的原子运动得更剧烈了一点,这就是热能,或者在更微小的尺度下等价于无规则运动的动能。

而M=E/ C²的意思就是,表中零件的所有动能,势能和热能本身也作为手表质量的一部分,只要把这些能量加起来除以光速的平方,得到的就是动能,是势能和热能部分对总质量的贡献,但因为光速太大,这个额外质量非常小,微乎其微可以忽略不计。爱因斯坦也因此说过,这就是为什么大部分人都错误地认为质量是物体中“物质多少”的指标!

只是在日常生活中,我们察觉不到这些微小的差异,但它确实存在,如果你有足够精确的称,这是可以测量出来的!

但要说因为指针在运动使这根指针的质量变大了,这只是过时的说法。多数现代物理学家提到质量都是指静止状态下,或者是“静质量”,所以现在“静质量”这个词已经不用了。

这样规定的理由很多。其中,所有观测者一致认为静止质量是一种属性,而我们现在讨论的M=E/ C²的M就是静止质量,你可以把质量当作加速物体难以程度的标志,或者物体所受重力大小的指标。但不管怎么看,一个走着的表总是比完全一样但停着的表质量大。

再举个例子,在你打开一个手电筒时,它的质量就立即开始减小,为什么?

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光携带者能量,而这些能量是原本储存在电池里的,作为手电筒质量一部分的电化学能,这些能量散发出去就不再能称到质量了。如此,太阳本质上就是个大型手电筒,因为它也发光,其质量每秒减小40亿千克。

不用担心这个,地球还是照常运转,因为太阳每秒丢失的质量只是太阳总质量的10的21次方分之一。但那算不算太阳将质量转化为能量呢?

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并不是!日光中的能量是在消耗组成太阳的粒子的动能和势能前提下产生的,就在那束光发射之前,太阳里作为质量一部分的动能和势能还大一些,太阳每秒损失的这40亿千克质量其实只是其组成粒子动能和势能的减小,我们所称重的一直都是物体中粒子的能量,只是我们没注意到而已。

还有一个例子。假设我拿着一只手电筒在天秤上一个四周为镜面的封闭盒子中,如果我打开手电筒,秤的读数会改变吗?

并不会。对手电来说,它的质量会减小,但整个盒子的质量将保持不变。虽然称测得的电化学能变少了,但它同时也测出了没能离开盒子的等量光能增加。即使光本身没有质量,如果你能在盒子中把它提取出来,它所携带的能量仍然以M=E/ C²的形式构成了盒子的总质量,所以秤的读数不会变。

但更有趣的在后面。

在刚才的这些例子中,物体的质量都比组成它的各部分质量之和要大,文章开头我输哦的一个氢原子的质量比组成它的一个质子和一个电子的质量小呢?这又是为什么呢?

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因为势能可以为负。想象一下,质子和电子在它们相距无限远的时候势能为零,因为它们相互吸引,当它们靠近时,其电势能就会降低,这跟靠近地表时你的重力势能会下降是一个道理,因为地球也会吸引着你,所以氢原子内电子和质子的势能是负的。

而氢原子内的电子因为围绕着质子旋转而有正的动能,但结果显示势能负的很大,动能和势能之和还是负的,因此M=E/ C²中的M也是负的,所以氢原子的总质量会小于组成它各部分质量之和!

实际上,除了某些特殊情况,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,分子也是一样,一个氧分子的质量比组成它的两个氧原子小,因为一旦形成化学键,这些原子的动能和势能之和就变成负的了!

那质子和中子本身的质量呢?它们是由一种叫做夸克的物质组成,夸克的质量比质子或中子的质量小2-3千倍,那么质子的质量又是哪里来的呢?

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基本上是来自于“夸克势能”。那么问题又来了,电子和夸克的质量又是来自哪里呢?至少在粒子物理标准模型中它们不再有更小的下层结构,那怎么解释它们的质量呢?

这是个微妙的问题。简单地说,你可以把它们的质量也当作是对各种势能的一种反映。比如,伴随着电子和夸克与希格斯场作用而形成的势能,又或者与它们自身产生的电场相互作用而形成的势能,对于夸克则是与胶子的相互作用。

那么物质与反物质的湮灭该如何解释呢?这难道不是物质被“转换”成能量了吗?

同样不是,甚至这一过程都可以用一种方法概念化成一种纯粹的一种能量到另一种能量(动能,势能,光能等)的转变,而根本不需要什么质能转换,事实上你不一定非得将质量“转换”成能量。

也可以这样说,我们所说的质量根本不是一个东西,它是一种属性,而属性是物体各种内线能量的表现形式。如此看来,虽然从物质角度把质量当作“量的多少”的角度是不准确的,但可以把它当作能量多少的度量!所以,你每次称体重的数值其实是你的总能量,只是你没有发现而已!

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