我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常能聽到或者親身目睹物體的質(zhì)量“轉(zhuǎn)化”為能量的例子，比如木材的燃燒、通過核裂變釋放能量來(lái)發(fā)電等等，而我們每天能看到的太陽(yáng)，其之所以發(fā)光發(fā)熱，也是由于內(nèi)部時(shí)刻發(fā)生著核聚變反應(yīng)，通過“虧損”的質(zhì)量形成了源源不斷的能量。但是，反過來(lái)，我們卻看不到由能量生成物質(zhì)的案例，這是為什么呢？
質(zhì)能方程的提出
要解釋上面的問題，我們還得從質(zhì)能方程談起。質(zhì)能方程大家再熟悉不過了，它是由愛因斯坦在提出狹義相對(duì)論時(shí)，所推導(dǎo)出來(lái)的一個(gè)結(jié)論。在狹義相對(duì)論誕生以前，人們對(duì)于宇宙狀態(tài)的認(rèn)知，還是將其確定為一個(gè)靜態(tài)、均勻、沒有邊界的狀態(tài)，光線在宇宙中的傳輸速度是無(wú)限大。而且在經(jīng)典力學(xué)的框架下，在不同慣性參照系內(nèi)，物體的運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。
不過，麥克斯韋另辟蹊徑，從電磁學(xué)的角度提出了麥克斯韋方程，繼而推導(dǎo)出光速只與真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)系，而且與參考系的選擇沒有關(guān)系，這就與經(jīng)典力學(xué)產(chǎn)生了矛盾。受到麥克斯韋方程的啟發(fā)，愛因斯坦在牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了兩條基本假設(shè)，即相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，?jù)此形成了狹義相對(duì)論體系，將物體的運(yùn)動(dòng)與時(shí)空進(jìn)行了統(tǒng)一，認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)會(huì)直接改變所處的時(shí)間和空間。
根據(jù)以上兩條假設(shè)，通過洛倫茲變換，可以推導(dǎo)出物體在不同慣性參照系下運(yùn)動(dòng)，所觀測(cè)到的關(guān)于時(shí)間、空間和質(zhì)量變化的對(duì)應(yīng)公式，即著名的鐘慢方程、尺縮方程和質(zhì)增方程。
對(duì)于質(zhì)增方程來(lái)說(shuō)，其表達(dá)式為：m=m0/√(1-v^2/c^2)，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，則其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量就越大，物體的運(yùn)動(dòng)速度趨向于光速時(shí)，則物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量就會(huì)無(wú)窮大。在此基礎(chǔ)上，愛因斯坦運(yùn)用動(dòng)能定理和動(dòng)量定理，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出物體所具有的能量與本身的質(zhì)量之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：E＝m*c^2-m0*c^2，人們通常將其簡(jiǎn)化為E＝m*c^2，這就是著名的質(zhì)能方程。
質(zhì)能方程的含義
根據(jù)簡(jiǎn)化后的質(zhì)能方程，人們很容易聯(lián)想到既然這個(gè)等式存在，那么有多少質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化為多少能量，有多少能量也可以轉(zhuǎn)化為多少質(zhì)量，其實(shí)這么理解是不準(zhǔn)確的。質(zhì)能方程的本義是將物體所具有的質(zhì)量和能量進(jìn)行了統(tǒng)一，質(zhì)量和能量之間是一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，都是物質(zhì)所具有的基本屬性，我們可以用質(zhì)量來(lái)描述一個(gè)物體，也可以用能量來(lái)描述一個(gè)物體，它們的本質(zhì)是相同的，并不是說(shuō)是“轉(zhuǎn)化”的關(guān)系。
以木材燃燒為例，如果在一個(gè)完全封閉的系統(tǒng)內(nèi)完成這個(gè)燃燒實(shí)驗(yàn)，那么參與反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量，與反應(yīng)后剩余物質(zhì)和新生成物質(zhì)的總質(zhì)量是有微小差異的，“損失”的那部分質(zhì)量，則以熱量的形式，通過密閉容器與外界環(huán)境之間的熱交換而被帶離了這個(gè)封閉系統(tǒng)。按照質(zhì)能方程，我們可以理解為這部分散失的熱量也能夠?qū)?yīng)著一定的質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量將與系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)前后“損失”的質(zhì)量相一致。
再以質(zhì)子和中子聚變形成氘為例，在此聚變反應(yīng)的過程中，所生成的氘與反應(yīng)前的質(zhì)子、中子質(zhì)量相比，也會(huì)有一定的質(zhì)量“損失”，這部分損失的質(zhì)量，是以光子的形式釋放出去的，同樣遵循著質(zhì)能守恒定律，結(jié)合愛因斯坦質(zhì)能方程和光電效應(yīng)方程，反應(yīng)前后的質(zhì)能變化表達(dá)式為：m質(zhì)*c^2+m中*c^2=m氘*c^2+hv*c^2，其中h為普朗克常量，v為光子的頻率，從中我們可以看出，反應(yīng)前的質(zhì)量，將與反應(yīng)后氘的質(zhì)量和光子的能量相對(duì)應(yīng)，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，質(zhì)量并沒有虧損，而是變化的靜止質(zhì)量全部等效為光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量了。
如果在上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們擁有著一個(gè)可以完全隔絕與外界進(jìn)行能量交換的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以及一個(gè)可以精確測(cè)量質(zhì)量和能量的儀器，那么通過測(cè)量反應(yīng)前后系統(tǒng)內(nèi)的總示數(shù)，將發(fā)現(xiàn)示數(shù)是完全相同的。
能量質(zhì)量？
既然物體的質(zhì)量和能量是一種對(duì)應(yīng)的關(guān)系，那么無(wú)論是質(zhì)量和能量，都將是物體的表現(xiàn)形式，質(zhì)量可以用能量來(lái)表示，能量也可以用質(zhì)量來(lái)表示，只不過我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)宇宙中所認(rèn)知的物體，下意識(shí)都是以實(shí)體的“質(zhì)量”來(lái)衡量的，因?yàn)椤凹兡芰俊钡臓顟B(tài)我們難以觀測(cè)到，也很難理解而已。
至于能量能否“轉(zhuǎn)化”為質(zhì)量，理論上肯定是可以的，因?yàn)槎叨际俏矬w的存在表現(xiàn)形式，但是物體從能量變?yōu)橘|(zhì)量，必須在極其特殊的環(huán)境，只有在非常高的溫度或者壓力環(huán)境下，能量才可以推動(dòng)形成基本粒子。
說(shuō)到這里，不得不提一下宇宙大爆炸，科學(xué)家們根據(jù)哈勃觀測(cè)到的宇宙膨脹事實(shí)，反推出在138億年之前，現(xiàn)有宇宙中的所有物質(zhì)都來(lái)源于一個(gè)質(zhì)量無(wú)限大、溫度無(wú)限高、體積無(wú)限小的奇點(diǎn)，宇宙中沒有任何的物質(zhì)和空間，在量子漲落效應(yīng)的作用下，奇點(diǎn)的對(duì)稱性在某一時(shí)刻發(fā)生了“破缺”，于是就發(fā)生了大爆炸，純能量轉(zhuǎn)化為各種正反粒子，絕大部分的正反粒子又瞬間相遇，釋放出能量，這個(gè)時(shí)候的溫度足以達(dá)到萬(wàn)億度級(jí)別。
如果正反粒子的數(shù)量完全一樣，那么現(xiàn)有的宇宙將不復(fù)存在，恰恰就因?yàn)檫@種不對(duì)稱的出現(xiàn)，由純能量所產(chǎn)生的正粒子數(shù)量要略多于反粒子，造成了宇宙中的反粒子幾乎全部湮滅，宇宙中就剩下了少部分的正粒子，隨后以這些正粒子為基礎(chǔ)，逐漸形成了現(xiàn)有多姿多彩的宇宙世界。
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