無論是質量守恆,還是能量守恆,都是人類科學發展過程中認知局限的產物,現在我們知道了,無論是質量,還是能量,都無法實現單獨守恆,只有二者相結合才能實現真正的守恆,這就是質能守恆。
只要你上過初中化學課,那麼就一定做過化學式的配平,而配平化學式的過程會使得我們產生一種誤會,誤會質量是守恆的。而在實際的化學實驗過程中,化學反應前與反應後的物質質量似乎的確是相同的,這是為什麼呢?事實上化學反應前與反應後的質量並不是沒有變化的,只不過變化極其微小,小到根本無法察覺,而這還是在核技術發展起來之後,人類才意識到的,因為在核反應的過程中,大量的能量被釋放了出現,這使得質量的損失變得可以察覺,因此科學家們也就聯想到在化學反應過程中,實際上也是存在著質量損失的。
可見,無論是核反應,還是化學反應,質量都不是守恆的,虧損的質量會以能量的形式表現出來,當我們把質量和能量放在一起來看待的時候,就真正實現了守恆,這就是質能守恆。
愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,宇宙的本質實際上就是能量,而質量只不過是能量的一種表現形式而已。而質量與能量之間的關係可以用著名的質能方程來進行表示,也就是E=mc∧2。在這個公式中,E就是能量,m是物體的質量,c代表光速,也就是說一個物體所蘊含的能量就等於這個物體質量乘以光速的平方。這可是一個了不得的公式,而其所代表的意義就更是了不得,因為光速是每秒299792458千米,而光速的平方無疑是一個天文數字,也就是說無論一個物體的質量多麼微小,其所蘊含的能量都是極其巨大的。
任何一個小物體都擁有無比巨大的能量嗎?
要解答這個問題,我們還要先弄懂什麼是質量。質量可以分為兩個部分,靜止質量和運動質量,靜止質量就是一個物體在靜止狀態下所擁有的質量,物體的靜止質量代表了物體內部物質總量的多少,是不會因任何外在的影響而發生改變的。
而物體的運動質量就不同了,運動質量又可以稱之為慣性質量,當一個物體開始運動的時候,它便具備了慣性質量,隨著運動速度的增加,慣性質量也會隨之增加,當物體的運動速度達到光速的時候,慣性質量也就增大到了無窮。雖然慣性質量與引力質量是等效的,但並不是說慣性質量就完全等同於引力質量。
慣性質量的本質實際上就是物體運動所產生的動能,隨著運動速度的加快,物體的動能增加,因質量是能量的表現形式,所以當我們以質量的方式將增加的動能表現出來之後就成為了我們所說的慣性質量,但慣性質量的增加絕不代表物質質量的真實增加,因為一個物體內部的物質總量的多少是不變的,不會受到運動速度的影響。
從中我們也可以看出質能方程所描述的是質量與能量之間的對應關係,而質能守恆明確地告訴了我們質量與能量是一個整體,而並非兩個相互轉化的獨立個體。因此說一個小物體就擁有無比巨大的能量,這種表述本身就是存在問題的。從理論上來講,一個小物體的確代表著巨大的能量,但這並沒有什麼現實的意義,因為沒有任何可能將一個物體完全轉化為可利用的能量。
如果單從理論上來講,將一個物體完全轉化為能量是可行的,那就是藉助於反物質。
當一個物質與它對應的反物質相遇的時候,就會發生湮滅,湮滅的過程會將物質的質量完全轉化為純能量,在這種情況下,只需要湮滅一把椅子就能夠滿足全人類的能源需求。
但問題在於反物質從何而來呢?先不說我們是否能夠製造出足量的反物質,即使能夠製造出來,也並沒有現實意義。反物質不會憑空產生,要製造反物質就需要與之相對應的能量,消耗了這些能量製造出反物質,然後再用反物質湮滅物質來獲得能量,這樣做有什麼意義呢?如果我們真的有了與要製造的反物質相對應量能量,直接利用就好了。所以說,任何一個小物體都代表了巨量的能量,但我們並不能真的把它變成能量。