在爱因斯坦的狭义相对论的数学宝库中,隐藏着一个异常简明的公式——质能方程,其形式简洁至极:能量等于质量与光速平方的乘积。
公式本身看似无奇,然而它却将两个在常人眼中毫无交集的物理量——质量与能量,紧紧地捆绑在一起。然而,这个公式的背后,远比表面所见更富深意。
由于光速是个极大的数值,每秒三十万公里,光速的平方更是一个惊人的数字。这意味着极小的质量便可转换为惊人的能量。拿核裂变和核聚变来说,它们就是通过所谓的“质量亏损”来释放出惊人的能量的。
举个例子,在核裂变的过程中,一克的质量损失就等同于2000吨煤燃烧所释放出的能量!
插句题外话,许多人以为原子弹和氢弹的发明源自于爱因斯坦的质能方程,这其实是个误解。原子弹和氢弹的研制与质能方程并无直接关联。人们虽然了解质能方程,知道物质中潜藏巨大能量,却并不知如何利用这些能量。事实上,即使没有爱因斯坦的质能方程,科学家们仍然能够制造出原子弹和氢弹。
在我们周围的世界中,质量转为能量的现象并不少见,核弹(包括原子弹和氢弹)便是一个显而易见的例子。除此之外,像物质燃烧这类化学反应,本质上也是质量向能量的转化——这似乎与我们在学校所学的质量守恒定律有所冲突。
的确,在化学课上,老师们告诉我们化学反应前后的质量是守恒的。但实际上,在化学反应过程中也会出现微小的质量亏损,因为任何化学反应都会伴随能量的变化,只是这种变化极其微小,我们通常会将其忽略,而认为质量是守恒的。
那么,在质量和能量等价的情况下,现实中有没有能量转化为质量的例子呢?答案是肯定的,但具体都有哪些例子呢?
我们首先需要对质量的定义有个简单的了解。不要误以为质量是个简单的概念,实际上,质量的本质是非常复杂的,之前在科普中已有详述,这里不再赘述。
质量可以分为静质量和动质量。静质量是指物体在静止状态下的质量,但实际上,世界上并无绝对静止之物,因此物理学上对静质量的定义为:在某个惯性系中,物体相对该系静止时的质量即为静质量。而动质量则是指物体在运动状态下的质量。
明白了这些,我们再来看看能量转为质量的例子。
首先,爱因斯坦的狭义相对论指出,物体运动的速度越快,其质量越大,这里的质量指的是动质量。那么,这些额外的质量从何而来?
答案是来自能量的转化。高速运动的物体拥有更大的动能,这些动能转化为了物体的动质量。但只有当物体的速度接近光速时,动质量的变化才变得明显。日常生活中的速度对物体质量的影响几乎可以忽略不计。但是,一旦速度足够接近光速,哪怕是一根针,都可以获得极大的能量和质量。
科学家们曾进行过相关实验,他们使用粒子对撞机将两个基本粒子加速至亚光速,并使其发生碰撞。碰撞后产生的新粒子的总质量超过了原来两个粒子的质量之和。
这些多出来的质量正是由能量转化而来的,这表明,大量能量在短时间内集中消耗可以转化为物质。也有人认为,宇宙就是由一个高能量的奇点爆炸产生的。
其次,在微观粒子世界里,能量转化为质量的例子更为常见。例如,原子核由质子和中子构成,而质子和中子又由三个夸克组成。理论上讲,一个质子或中子的质量应正好等于三个夸克的质量之和。
然而,实际情况并非如此。三个夸克的质量总和仅占质子或中子质量的1%,其余99%的质量实际上是来自能量的转化。这些能量来自哪里?它们来自三个夸克之间的强相互作用力产生的束缚能。三个夸克通过强相互作用紧密束缚在一起,从而产生了强大的束缚能,也就是强力场的能量,这种能量通过胶子传递。
再者,如果你对以上两种能量转化为质量的例子仍不满意,还有一个最直观的例子。我们都知道,光是电磁波,而电磁波是纯能量,不同频率的电磁波具有不同的能量。科学家们通过实验发现,在实验室中利用强大的激光,可以制造出正反电子对,而电子和反电子(正电子)都是物质。反过来,当电子和正电子这两种物质相遇并湮灭时,它们会转化为纯能量。
所有这些能量与质量相互转化的例子都再次证明了,能量和质量是等价的,只是表现形式不同而已。然而,这种观点也只是为了便于普通读者理解,严格来说并不严谨。
严格来讲,能量和质量并不是“等价”的,因为能量才是最根本的东西,而质量只是能量的另一种表现方式。简而言之,任何质量本质上都是能量。在宇宙诞生之初,只有纯能量状态,并无质量这一属性。
当然,这个问题涉及到质量的本质,甚至是宇宙的起源和基本粒子的形成等问题,需要更深入的讨论。如果有兴趣,可以查阅之前的科普文章,其中有关于质量本质的详细解读,这里不再赘述。
可以简单理解能量和质量的关系为:能量的聚集形成质量,而质量的分散则转化为能量。
不管怎样说,能量才是最根本的存在,我们的世界可以没有质量,却不能没有能量。哪怕是看似空无一物的真空,也拥有最基本的能量,也就是真空零点能。理论上,也存在比真空零点能更低的能量,即负能量,科学家们在实验中也确实制造出了少量的负能量。这种能量被认为是构建虫洞不可或缺的成分!
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