如何理解質能方程？

幾百年來，有一個永恒的物理定律，它從沒有受到過挑戰(zhàn)：在宇宙中發(fā)生的任何反應中，質量始終是守恒的。無論發(fā)生反應的反應物是什么，反應的過程是如何進行的，最后有什么產物產出，發(fā)生反應的反應物的質量總和總是和反應后所有產物的質量總和相等。但是在狹義相對論中，質量根本不可能是一個守恒量，因為不同參考系的人會認為兩個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規(guī)律，這個規(guī)律由簡單卻又很強大的公式所記錄，那就是：E = mc2。

這個方程僅僅由三項構成：

1.E，也就是能量，方程的其中一邊有且僅有這項，它代表的是系統的能量總和。

2.m，也就是質量，通過一個轉換因子就能將其和質量聯系在一起。

3.c2，光速的平方，是一個可以讓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時的物理學前沿問題。

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

“從狹義相對論來看，質量和能量是同一事物的不同表現形式——對一般人來說，這可能是個不同尋常的概念。”

下面是這個簡潔的方程的三個最大的意義。

即使是靜止的物體也具有屬于它們的固有能量。也許你已經知道了一些很多種類型的能量，如機械能、化學能、電能以及動能。這些都是移動的物體或者發(fā)生反應的化學物質所具有的固有能量，這些能量可以用來做功，如啟動引擎、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具有質量的物體，都和能量是息息相關的，質量和能量兩者的關系正是E = mc2。

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

能量不僅僅只能是能量了，而且可以轉化成質量。最后這個意義是最深刻的。如果你將兩個臺球磨碎，放在一起，它們還是兩個臺球。如果你將一個電子和一個光子“磨碎”放在一起，你得到的還是一個電子和一個光子。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電子、一個光子、一個新粒子和對應的反物質粒子。換句話說，你將得到兩個具有質量的新粒子：

新的粒子，如電子、質子、中子等；

與之對應的反物質粒子，如正電子、反質子、反中子等。

這對新的粒子之所以會出現，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。產出的質量仍遵循：m=E/c2。

質能等價的事實也就催生了愛因斯坦的最大成就：廣義相對論。想象一下，你有一個粒子和與其相對應的反粒子，每個都有相同的靜止質量。你可以“消滅”它們，它們會產生一定數量的能量的光子，具體數量由E=mc2給出。現在請你發(fā)揮想象，這顆粒子/反粒子快速地移動，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能E。

如果能量是守恒的，我們就要明白，引力紅移（藍移）一定是真實的。物質和反物質湮滅，它們會產生極其特定能量的光子。如果它們在引力場下落后產生這些光子，則能量應該更高。這意味著必定會有某種引力紅移/藍移，否則能量就不會守恒。牛頓的引力理論無法解釋這一點，但在愛因斯坦的廣義相對論中，空間的彎曲意味著陷入引力場使你獲得能量，而爬出引力場對應的就是失去能量。那么對于任何運動的物體，我們不能僅僅用E=mc2描述，而應該是E2= m2c + p2c2，p代表的是動量。只有包含了能量、動量、引力，我們才能相對真實地描述這個宇宙。（m指的是靜止質量，運動的物體就不能簡單地用E=mc2描述。）

愛因斯坦質能方程E=mc2，是一個簡潔且意義重大的基礎物理學公式。物質具有固有的能量，質量可以在一定條件下轉化為純粹的能量，并且能量可以用來創(chuàng)造不曾發(fā)現過的“大質量”物體。以這種方式思考問題，使我們能夠發(fā)現構成我們宇宙的基本粒子，利用核能，發(fā)明核武器，并發(fā)現描述宇宙中每個物體如何相互作用的重力理論。什么才是找到這個公式的關鍵？只需一個簡單的思想實驗，基于一個簡單的概念：能量和動量都是守恒的。剩下的呢？那只是宇宙運行中發(fā)生的一些不可避免的結果。

（摘自微信公眾號“中科院物理所”）