這其實是一個很有趣的問題。實際上,無論什麼反應,反應前後的質量是守恆,能量也是守恆,因為質量守恆,能量也守恆,所以,質能也一定守恆,這裡要注意一下,並不是因為質能可以轉化才質能守恆,而是因為質能等價才實現的質能守恆。這有什麼區別呢?我們其實可以從一般的反應說起。
反應前後
我們一般會把質能方程,也就是愛因斯坦的那個著名的公式E=mc^2用到核物理當中,尤其是氫彈或者原子彈爆炸。然後,就有人會這麼科普,反應前後質量發生了虧損,質量轉化為能量。這樣的解釋是正確的麼?答案是,不對!
為什麼呢?其實也很簡單,對於質量的理解不太對。我們試想一下,所謂的「質量虧損」,指的是什麼?其實是反應完了之後的生成物比反應之前減少了。但是,我們常常忽略一點,那就是反應物當中其實也包括能量,也就是那些衝擊波和蘑菇雲,以及大量的熱。
如果,我們有個封閉的系統,這個系統不會和外界產生任何的能量交換,換句話說,就是光和熱都不會散去。然後,我們在這個封閉的系統當中引爆一顆氫彈。那它的前後質量會不會發生改變呢?答案是不會!
這回明白了麼?實際上,氫彈爆炸散去的能量也有質量,只是因為它們因光和熱的形式離開了,所以,我們沒有測量到,於是就有人認為是所謂的「質量轉化為能量」。實際上,這是誤解了愛因斯坦的意思。1905年,在愛因斯坦發布的那篇論文當中,就成這樣描述:
若一個物體以輻射形式發射能量L,它的質量減少L/c^2。
所以,愛因斯坦的意思是,質量裡有能量,能量裡有質量,質量和能量是一回事,而不是轉化關係,這也是為什麼這個理論也叫做質能等價的原因。
所以,從這裡,我們要搞清楚一點,任何反應的前後,質量都是守恆的,能量都是守恆的,所以質能才是守恆的。所以,炸彈爆炸時,也是符合質量守恆的。只是那些光和熱你測不到而已,但並不是說它們不具有質量。
質能等價
能量裡有質量的例子其實非常非常多,甚至,我們自身都能體現這個特點。一個人的質量是從哪裡來的呢?實際上,我們可以拆解這個問題,我們都是由原子構成的,因此我們的質量其實可以看成是構成的原子的質量的總和以及原子之間化學鍵所產生的能量對應的質量。發現沒有?這個時候,就已經出現了「能量裡有質量的形式」。
不過,實際上,原子也還是可以繼續拆分下去,原子是由原子核和電子構成的。而原子核又是由質子和中子構成。再進一步,質子和中子其實是由夸克構成的。
那我們的質量應該如何去算呢?實際上,如果滿打滿算,大概是這樣的,化學鍵,不可再分的基本粒子(電子,夸克)的質量,束縛夸克在質子和中子內的膠子所提供的強相互作用的能量對應的質量,這裡又出現了「能量裡有質量」。下圖中,u和d其實就是夸克,而連接它們之間的就是膠子,由於膠子提供的強相互作用,才使得夸克可以形成質子和中子。
而基本粒子的質量,其實依靠的是場。也就是說,根據粒子物理標準模型,宇宙空間中布滿了希格斯場,夸克、電子會和希格斯場作用然後被減速獲得質量。
那最後,一個人的質量到底是咋構成的呢,這麼說吧,化學鍵+粒子的質量≤1%,而剩餘99%的能量來自於強相互作用的能量對應的質量。
所以,你站在秤上看到的示數,你以為是實實在在的物質的靜止質量,實際上,如果細細分解,就會發現大部分的質量是大多人人以為的「能量」裡所對應的質量。
而在近代物理學當中,科學家在使用粒子加速器進行實驗時,其實會有個前提假設的,就是基於狹義相對論質能等價這部分的內容與量子力學進行結合,提出量子場論。然後,對於粒子參量的描述,基本上都是xxxMeV,這裡的MeV其實就是能量單位,他們是經過質能等價E=mc^2,把質量也一同換算成了能量來做實驗的,所以同時,科學家也用MeV/c^2來表示質量。
因此,愛因斯坦其實統一了能量和質量,揭示了它們是同一個東西。