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爱因斯坦说“质能等价”,可为什么不见能量转化为质量?

E=mc∧2,如此简洁的公式,却蕴含着深刻的道理,这就是质能方程,它是从狭义相对论中推导出的结论。爱因斯坦用光速这个常数,便将质量能量这两个物理学中非常重要的物理量联系起来,表明质量和能量是等价的。

光每秒能跑30万公里,数值非常大,它的平方自然是一个十分庞大的数字,这也意味着很小的质量中就蕴含着非常庞大的能量。数据显示,仅1千克铀235全部裂变,就相当于燃烧2000吨煤所释放的能量,而这一裂变过程仅丢失了不到0.1%的质量。

这里顺便提一下,核弹的发明与质能方程没有多大关系,当然也与爱因斯坦没有多大关系,爱因斯坦只是在二战期间曾经建议美国要赶在德国之前研制出原子弹。仅知道一个质能方程,人类也只是知道物质中蕴含着巨大的能量,至于怎么利用,却不知道,这样根本发明不出原子弹,原子弹依靠的是链式核裂变反应。况且,就算爱因斯坦没有提出质能方程,人类也能够发明核弹。

核弹能够释放出巨大的能量,就是因为核反应过程中存在较大的质量亏损,它们全都转化成了能量。一般认为化学反应过程中反应前后的物质总质量是守恒的,不过细究下来,化学反应过程中也存在质量亏损,毕竟化学反应过程中伴随着能量变化,只是这种变化十分微小,几乎可以忽略。

质量是最基本的物理量之一,可分为静止质量和动质量,静止质量是物质处于静止状态时的质量,动质量则是物质因运动所具有的质量。由于物质不可能处于绝对静止状态,所以并不存在严格意义上的静止质量。比如一个静止的苹果,构成它的粒子仍然在运动。而在这些反应过程中转化为能量的质量都是指静止质量,总之质量也可以作为能量的量度。

不管是核反应,还是化学反应,都能释放出能量,反应过程中丢失的这部分质量主要是以光子、高能粒子等各种物质形式溜走了,能量也是以这种形式释放出来的。

既然质能是等价的,可为什么只见质量转化为能量,却不见能量转化为质量?

其实,能量转化成质量的案例也很普遍,下面分别举三个例子。

1,根据相对论,物体的运动速度越快,它的质量就会越大,这是因为物体运动得越快,它所具有的能量也就越大。物体由于运动所多出来的质量,就是由能量转化而来的,这部分质量也被叫做动质量。只是当物质处在高速运动状态时,这种变化才会比较明显。当一颗绣花针以非常接近光速的速度运动时,甚至能毁灭地球。

2,构成原子核的质子由三个夸克构成,可质子的质量却比这三个夸克的总静止质量多得多。研究显示,这多出来的大部分质量就来源于夸克之间的强相互作用,也就是由强力场的能量转化而来。

3,很多人认为能量只能依托于质量而存在,其实自然界中就存在纯能量状态的物质,比如光子,它就是一种处于纯能量状态的物质,静止质量为0。光和热,本质上是不同频率的电磁波,而电磁波和光子是同一种物质不同形式的存在状态。像光子这种纯能量形式的物质,也可以转化为实物粒子,现在科学家们已经成功在实验室中利用高能激光生成正负电子对。而一对正负电子湮灭时就会100%转化为能量,也就是转化为光子。

能量通常以物质的做功能力来衡量。不同的运动形式,对应着不同形式的能量,这些能量可以转化转移。

在很多人的认知里,质量和能量仍有很大的不同。质量通常看得见摸得着,并且有质量的物体通常都是实物。而能量则是以光、热等形式存在,给人的感觉比较虚无缥缈。其实,质量和能量不仅等价,还不可分割,它们是统一的。

不管是质量还是能量,它们都不可能凭空出现或消失。质量守恒定律和能量守恒定律是自然科学中非常重要的定律,当人们认识到质量和能量等价后,便将上面两个定律合而为一,统称为质能守恒定律。