本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
愛因斯坦的質能方程可以算是世界上最著名的方程了,它的出現給原子彈提供了理論基礎。無論你是否懂得相對論,你都能知道損失一定的質量就能換來巨大的能量。在相對論中,當物體的速度增大時,它的質量也會隨之增大,這稱之為動質量;與之相對的處於靜止的質量就叫做靜質量。動質量和靜質量之間也是滿足洛倫茲變換的。
雖然動質量也包含著「質量」兩個字,但是在主流的相對論中,它根本不是質量。提出這個想法最著名的物理學家之一應該算是蘇聯猶太人朗道了。他指出,質量本身是個標量,但是動質量和能量之間就只差了一個光速的平方,從本質上來講它其實就是個能量,而能量在相對論中是四維動量的一個分量,它不是標量。因此,動質量不是質量。
這個想法得到了相對論創始人愛因斯坦的默認。當時,愛因斯坦在私下寫給朗道的一封信中表示,它可以接受動質量不是質量的想法。但是,愛因斯坦從來沒在公開場合表示過這件事,因為他知道,如果質量不再是標量,那麼會導致很多問題的發生,相對論的計算會變得更加複雜。
如果把動質量從質量範圍中剔除,也會導致許多物理定律不再成立。質量守恆定律告訴我們,在任何孤立系統中,不管發生什麼變化或過程,其總質量總是不變的。我們知道把質量轉變為能量的最高效率的方法是,讓正-反粒子互相湮滅。所謂正-反粒子是指質量相同、帶電量不同的粒子,如電子和正電子,當它們湮滅的時候,就會釋放出靜止質量為零的光子能量。發生物理變化前總質量為2m,發生變化後質量就變成零了,這顯然違反了質量守恆。很多物理學家也是根據這一點反對朗道的說法。
粒子物理學家更不能同意這種說法了。我們知道物質是由原子組成的,而原子更是由一些更基本的粒子組成。根據海森堡的測不準原理,我們不能同時精確知道粒子的位置和動量,這意味著這些基本粒子都是處於運動狀態的。實際上,我們所知道的物體的靜質量是由基本粒子的動質量組合而成。如果動質量不是質量,那麼它又如何能組成靜質量呢?
其實這兩種想法都有它們的道理,且都是從各自領域出發而得到的結論。因此,如何看待這件事,我們要根據實際出發,根據你的需要選擇更為合適的想法。