如何理解質(zhì)能方程？

幾百年來，有一個(gè)永恒的物理定律，它從沒有受到過挑戰(zhàn)：在宇宙中發(fā)生的任何反應(yīng)中，質(zhì)量始終是守恒的。無論發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)物是什么，反應(yīng)的過程是如何進(jìn)行的，最后有什么產(chǎn)物產(chǎn)出，發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)物的質(zhì)量總和總是和反應(yīng)后所有產(chǎn)物的質(zhì)量總和相等。但是在狹義相對(duì)論中，質(zhì)量根本不可能是一個(gè)守恒量，因?yàn)椴煌瑓⒖枷档娜藭?huì)認(rèn)為兩個(gè)參考系的能量是不同的。相反，愛因斯坦從中推出了我們今天仍在使用的一個(gè)規(guī)律，這個(gè)規(guī)律由簡(jiǎn)單卻又很強(qiáng)大的公式所記錄，那就是：E = mc2。

這個(gè)方程僅僅由三項(xiàng)構(gòu)成：

1.E，也就是能量，方程的其中一邊有且僅有這項(xiàng)，它代表的是系統(tǒng)的能量總和。

2.m，也就是質(zhì)量，通過一個(gè)轉(zhuǎn)換因子就能將其和質(zhì)量聯(lián)系在一起。

3.c2，光速的平方，是一個(gè)可以讓E和m等同起來的因子。

1925年，玻爾和愛因斯坦在愛倫菲斯特家中討論一些當(dāng)時(shí)的物理學(xué)前沿問題。

這個(gè)等式意味著什么呢？毫不夸張地說，它徹底顛覆了人們的認(rèn)知。正如愛因斯坦所說的那樣：

“從狹義相對(duì)論來看，質(zhì)量和能量是同一事物的不同表現(xiàn)形式——對(duì)一般人來說，這可能是個(gè)不同尋常的概念?！?/p>

下面是這個(gè)簡(jiǎn)潔的方程的三個(gè)最大的意義。

即使是靜止的物體也具有屬于它們的固有能量。也許你已經(jīng)知道了一些很多種類型的能量，如機(jī)械能、化學(xué)能、電能以及動(dòng)能。這些都是移動(dòng)的物體或者發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)所具有的固有能量，這些能量可以用來做功，如啟動(dòng)引擎、給燈泡充電、把谷物磨成面粉等。但是，即使是平整的、陳舊的、排列得整整齊齊的靜止物體也具有一定的能量，而且是巨大的能量。這就具有非常重大的意義：引力，也就是牛頓萬有引力描述的宇宙中任何兩個(gè)具有質(zhì)量的物體，都和能量是息息相關(guān)的，質(zhì)量和能量兩者的關(guān)系正是E = mc2。

質(zhì)量能轉(zhuǎn)化成純粹的能量。這是這個(gè)等式第二個(gè)重要的意義，式中描述的就是兩者互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系。將1千克的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化成能量，你將會(huì)獲得9X10 焦耳的能量，相當(dāng)于21兆噸的TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的能量。當(dāng)我們進(jìn)行放射性實(shí)驗(yàn)，或者是核裂變或核聚變實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)前后的物質(zhì)的質(zhì)量是不相等的，此時(shí)也許你會(huì)說質(zhì)量守恒定律失效了，然而并非如此，這些“消失”的質(zhì)量其實(shí)是被轉(zhuǎn)化成能量的！從衰變的鈾到裂變的炸彈，從太陽的核聚變，再到物質(zhì)-反物質(zhì)的湮沒，都是如此。你“消滅”的質(zhì)量變成了能量，你得到的能量是E=mc2。

能量不僅僅只能是能量了，而且可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)量。最后這個(gè)意義是最深刻的。如果你將兩個(gè)臺(tái)球磨碎，放在一起，它們還是兩個(gè)臺(tái)球。如果你將一個(gè)電子和一個(gè)光子“磨碎”放在一起，你得到的還是一個(gè)電子和一個(gè)光子。但是如果用足夠大的能量將它們“磨碎”后放在一起，那么你得到的將是一個(gè)電子、一個(gè)光子、一個(gè)新粒子和對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子。換句話說，你將得到兩個(gè)具有質(zhì)量的新粒子：

新的粒子，如電子、質(zhì)子、中子等；

與之對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子，如正電子、反質(zhì)子、反中子等。

這對(duì)新的粒子之所以會(huì)出現(xiàn)，是由于你提供了足夠多的能量。這就是粒子加速器如LHC、CERN，尋找新的不穩(wěn)定的高能粒子（如希格斯玻色子或頂夸克）的方式：用能量創(chuàng)造出新的粒子。產(chǎn)出的質(zhì)量仍遵循：m=E/c2。

質(zhì)能等價(jià)的事實(shí)也就催生了愛因斯坦的最大成就：廣義相對(duì)論。想象一下，你有一個(gè)粒子和與其相對(duì)應(yīng)的反粒子，每個(gè)都有相同的靜止質(zhì)量。你可以“消滅”它們，它們會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的能量的光子，具體數(shù)量由E=mc2給出。現(xiàn)在請(qǐng)你發(fā)揮想象，這顆粒子/反粒子快速地移動(dòng)，就如它們從外太空掉下來一樣，然后在接近地球表面的地方湮滅了。那些光子現(xiàn)在有額外的能量：不僅僅是來自E=mc2的E，而且還有來自下降過程中獲得的動(dòng)能E。

如果能量是守恒的，我們就要明白，引力紅移（藍(lán)移）一定是真實(shí)的。物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅，它們會(huì)產(chǎn)生極其特定能量的光子。如果它們?cè)谝?chǎng)下落后產(chǎn)生這些光子，則能量應(yīng)該更高。這意味著必定會(huì)有某種引力紅移/藍(lán)移，否則能量就不會(huì)守恒。牛頓的引力理論無法解釋這一點(diǎn)，但在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，空間的彎曲意味著陷入引力場(chǎng)使你獲得能量，而爬出引力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的就是失去能量。那么對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)的物體，我們不能僅僅用E=mc2描述，而應(yīng)該是E2= m2c + p2c2，p代表的是動(dòng)量。只有包含了能量、動(dòng)量、引力，我們才能相對(duì)真實(shí)地描述這個(gè)宇宙。（m指的是靜止質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)的物體就不能簡(jiǎn)單地用E=mc2描述。）

愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2，是一個(gè)簡(jiǎn)潔且意義重大的基礎(chǔ)物理學(xué)公式。物質(zhì)具有固有的能量，質(zhì)量可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為純粹的能量，并且能量可以用來創(chuàng)造不曾發(fā)現(xiàn)過的“大質(zhì)量”物體。以這種方式思考問題，使我們能夠發(fā)現(xiàn)構(gòu)成我們宇宙的基本粒子，利用核能，發(fā)明核武器，并發(fā)現(xiàn)描述宇宙中每個(gè)物體如何相互作用的重力理論。什么才是找到這個(gè)公式的關(guān)鍵？只需一個(gè)簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)，基于一個(gè)簡(jiǎn)單的概念：能量和動(dòng)量都是守恒的。剩下的呢？那只是宇宙運(yùn)行中發(fā)生的一些不可避免的結(jié)果。

（摘自微信公眾號(hào)“中科院物理所”）