你知道E=mc2,那是先有物質還是先有能量?

　　來源：科學人公眾號

　　根據愛因斯坦的E=mc2，是不是所有物質其實都具有巨大的能量？

　　是的，只不過其背後的道理非常深刻！

　　愛因斯坦的E=mc2是狹義相對論的結果，不管物體是運動的還是靜止的都成立：對於靜止的物體，m就是物體的固有質量或者靜止質量，所以必然具有巨大的能量，而運動的物體的質量隨速度增加，因此能量也增加（相當於增加了動能）。由於光子的速度是光速，所以光子不可能具有靜止質量，而靜止質量不為零的物體或者粒子的速度也不可能達到光速，速度趨近於光速時其能量趨近於無窮大。

　　那麼E=mc2是否正確呢？正確！因為大量的實驗已經精確地驗證了這個公式，比如小到實驗室中的核裂變和核聚變反應都測量到了質量減少所產生的能量和E=mc2完全一致，而原子彈、氫彈、核電站都是對E=mc2的驗證。反過來，實驗室中也經常可以觀察到m=c2/E，也就是能量向物質的轉化，比如伽馬射線光子產生正負電子對以及其它的正反物質對，真空漲落也不斷通過能量的變化產生正反物質對。因此E=mc2已經得到了全面和大量的驗證。

　　但是有一個問題非常重要：是先有物質還是先有能量？從宇宙的尺度上，很顯然是先有能量再有物質，因為大爆炸開始的時候並沒有我們現在的物質，甚至連組成我們的原子的電子、質子和中子都沒有，這些都是大爆炸之後由能量根據m=c2/E變過來的，所以能量比質量更加基本。

　　但是事情其實比上面解釋的更加有趣！我們知道，質子和中子並不是基本粒子，其內部是夸克和膠子。膠子沒有質量，夸克有質量，但是如果把其內部的夸克的質量都加起來，你立刻發現這遠遠不夠質子和中子的質量。質子和中子的質量是哪裡來的？答案是能量！

　　由於質子的體積非常小，夸克和膠子要想在被困在這麼小的體積裡面，根據海森堡不確定性原理，它們就得具有很大的動量，因此就必須具有很大的能量。把這些能量加起來然後按照m=c2/E計算，就得到了質子和中子的質量！質子和中子的質量主要來自於其內部的夸克和膠子的能量！

　　但是夸克畢竟是有質量的，夸克的質量來自於哪裡？實際上，這個問題對所有具有質量的基本粒子（包括電子）都不是一個簡單的問題，因為最基本的粒子物理模型裡面所有粒子的質量都是零。後來物理學家們就提出來有一種特殊的場（希格斯場，其存在已經被實驗所證實），本來質量為零的基本粒子和這個場作用獲得了質量，最終還是能量轉化成了質量！

　　事實上，愛因斯坦最早的表述就是m=c2/E，他想說的就是質量的來源是能量，只不過被後人逐漸寫成了E=mc2！愛因斯坦的深刻洞察力的確是遠超同時代的人！今天我們利用E=mc2把物質變成能量，不過是自然造出物質的逆過程而已，並沒有什麼奇怪的。

　　如前所述，E=mc2是狹義相對論的結果，但是卻能夠適用於所有尺度、所有作用力、所有粒子，沒有發現任何的違背和偏離，因此是完全沒缺陷。而其它所有已知的科學規律都有適用的範圍，所以E=mc2又是極為不常見的。因此按照本人的美學理論（請上網搜索「張雙南美學」），E=mc2就是最美的科學公式！