偉大的質(zhì)能方程

李康盛

什么是質(zhì)能方程？

1905年，愛因斯坦在深入研究物體慣性和它自身能量的關(guān)系之后，提出了物理學(xué)史上最著名的方程——質(zhì)能方程，即E=mc2。

這個(gè)方程式出名到什么程度呢？如果你仔細(xì)觀察，也許你每天都能見到，因?yàn)樗呀?jīng)成為了我們生活的一部分——它是科普文章中的熱門主角，它被印在無數(shù)的T恤和海報(bào)上，在電影和脫口秀中也經(jīng)常被提及。也許不是所有人都知道這個(gè)式子的具體含義是什么，但幾乎所有的人都見過它，不少人還知道它的提出者——偉大的猶太裔美籍物理學(xué)家愛因斯坦。

質(zhì)能方程揭示了太陽發(fā)光的原因

質(zhì)能方程表述為物質(zhì)的能量（E）等于物質(zhì)的質(zhì)量（m）和光速平方（c2）的乘積。E=mc2也許是你見過的最簡(jiǎn)單的公式之一，但是它的意義卻大到可以用“開創(chuàng)性”來形容。愛因斯坦第一次揭露了質(zhì)量和能量的關(guān)系，打破了質(zhì)量守恒的傳統(tǒng)認(rèn)知。質(zhì)能方程表明，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化。質(zhì)量和能量，這是兩個(gè)極其重要的基本物理量。它們?cè)瓉肀徽J(rèn)為是毫不相關(guān)的，但天才的愛因斯坦卻通過光速的二次方這個(gè)因子，直接將它們等價(jià)了起來，令人驚嘆。

質(zhì)能方程對(duì)于微觀物理的研究有著相當(dāng)大的作用：它解釋了核變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損問題，還解決了高能物理中粒子的能量的計(jì)算問題。而由于光速非常的大，即使是小質(zhì)量的物體也包含著巨大的能量，所以它也是原子彈的理論來源。

質(zhì)能方程的四點(diǎn)解讀

一：質(zhì)量不守恒。人們根據(jù)常識(shí)推測(cè)質(zhì)量是不變的，例如一個(gè)物體，把它切為兩半，這兩半的質(zhì)量和與原先整體的質(zhì)量稱起來是一樣的。但事實(shí)真是如此嗎？也許質(zhì)量有變化只是由于精度問題我們沒有測(cè)量到呢？也許我們應(yīng)該從微觀領(lǐng)域入手——鐵原子含有26個(gè)質(zhì)子、26個(gè)電子和30個(gè)中子，科學(xué)家們通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：鐵原子的質(zhì)量小于獨(dú)立的鐵原子核（原子核包含質(zhì)子和中子）與26個(gè)電子的質(zhì)量和;鐵原子核的質(zhì)量小于獨(dú)立的26個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子的質(zhì)量和。這就和我們的常識(shí)不符了，原因是電子、質(zhì)子和中子在結(jié)合成原子核的過程中會(huì)釋放能量，而這個(gè)能量是由質(zhì)量轉(zhuǎn)化而來的。所以鐵原子的各組分在結(jié)合成鐵原子的過程中損失了質(zhì)量。

二：質(zhì)能方程揭示了太陽發(fā)光的原因。太陽質(zhì)量的大約四分之三是氫，剩下的幾乎都是氦。太陽中心的溫度高達(dá)1600萬度，壓力也很大。在這極端的環(huán)境下，質(zhì)子之間發(fā)生了核聚變——兩個(gè)質(zhì)子（質(zhì)子由氫原子提供）發(fā)生融合，形成了一個(gè)氘核。氘核再先后與兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合，形成氦4核。而氦4核的質(zhì)量只為形成它的4個(gè)質(zhì)子質(zhì)量的99.3%，這意味著有0.7%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量釋放出去了。在形成每一個(gè)氦4原子的過程中，大約釋放出28兆電子伏特的能量。一個(gè)氦4原子輕得簡(jiǎn)直可以忽略不計(jì)，但太陽每秒鐘能產(chǎn)生5.96億噸的氦4，這過程中產(chǎn)生的能量就大得驚人了。

三：質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的效率為100%。無論什么反應(yīng)，其產(chǎn)生的能量總是等于反應(yīng)物與生成物之間的質(zhì)量差與光速的平方的乘積。例如電子和正電子湮滅后，產(chǎn)生兩個(gè)光子。這兩個(gè)光子的能量為511000電子伏特，而電子和正電子的靜止質(zhì)量包含的能量恰好是511000電子伏特。所以，獲得能量的所有方式中，由質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量是最節(jié)能的了，它的效率為100%。

四：能量可以創(chuàng)造質(zhì)量。從相對(duì)論我們知道，物體的質(zhì)量分為靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與速度有關(guān)：物體的速度越大，其質(zhì)量也就越大。所以，一個(gè)物體，如果我們?cè)黾铀乃俣龋蜁?huì)包含更大的能量，這樣它就有可能轉(zhuǎn)化為其他靜止質(zhì)量更大的物體。例如我們把兩個(gè)電子的速度加到足夠大并使其對(duì)撞，可以產(chǎn)生一對(duì)新粒子：一個(gè)物質(zhì)粒子（電子、μ子、質(zhì)子等）和一個(gè)反物質(zhì)粒子（正電子、反μ子、反質(zhì)子等），這對(duì)新粒子的靜止質(zhì)量大于兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量。

偉大的質(zhì)能公式已經(jīng)成為物理學(xué)大廈的一根頂梁柱。愛因斯坦為人類留下了豐厚的知識(shí)財(cái)富，而站在巨人的肩膀上，我們必將走的更遠(yuǎn)。