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深度長文:E=MC平方中的M是指質量嗎?里面蘊藏著更深的奧秘!

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偉大的愛因斯坦在20世紀初提出了大名鼎鼎的質能方程,E=MC平方,這個方程如此簡潔,如此優(yōu)美,讓我們明白質量與能量之間的關系。

但如果我問你公式中的M是什么意思,得到的回答應該都是質量。其實這個回答也沒有毛病,但如果你想了解更深層的東西,僅僅知道質量是遠遠不夠的。

要了解關于質量更多更深層的東西,我們需要從微觀領域開始,因為宏觀物體都是由微觀粒子組成的。

先來說最簡單的氫原子,它包含一個質子和一個電子,如此來講,氫原子的質量就應該等于一個質子加上一個電子的質量。

但事實并非如此,一個氫原子的質量,比一個質子和電子的質量總和要小一點,這是為什么呢?整體不應該等于每個局部加起來嗎?

這就涉及我們對愛因斯坦質能方程的深層解讀了,公式本身是E=MC平方,也可以換一種表達方式,M=E/C平方。你可能會問:這種簡單的變換能說明什么問題呢?不還是一樣嗎?

確實沒有什么大的區(qū)別,但能讓我們以一種不同的思維方式去思考智能方程。

首先,對于質能方程的解讀,網絡上經常會出現這樣的聲音:質量和能量等價,質量和能量是一種東西,質量是能量的一種表現形式等等。

當然,作為普通吃瓜群眾,這樣理解也沒毛病,但只是一種通俗的理解方式,嚴格來講并不嚴謹。

那么質能方程中隱藏的更深含義是什么呢?

還拿剛開始所說的氫原子來說明,氫原子的質量并不等于一個質子加上電子的質量。因為物體的質量包含兩個方面:組成物體的基本結構,還有物體的運動方式。

什么意思呢?

舉個例子就明白了,假設這里有兩輛一模一樣的小汽車,某一輛靜止,另外一輛一直在運動,結果就是:運動的小汽車的質量其實更大一些,靜止的小汽車質量相對更小一些。

為什么會這樣,運動為什么會讓汽車的質量變大呢?

道理很簡單,運動的汽車意味著內部的各種零件幾乎都在運動,比如說發(fā)動機,齒輪等,這些零件的運動就會產生動能。同時汽車在運動過程一定也會產生熱能,從微觀層面反映出來的就是組成汽車的微觀粒子運動更劇烈了,運動更劇烈也會有動能,當然,兩者是等價的。

于是,根據M=E/C平方這個公式,上面所說的熱能,動能其實都可以算作汽車質量的一部分,所有的能量加起來除以光速的平方,加上汽車本身的質量(實際就是靜質量),最終得到的就是汽車的實際質量。

這也是為什么運動的汽車質量會更大。只不過由于光速實在太大了,光速的平方就更大了,即便是汽車運動過程具備的能量很大,除以光速平方之后,多出來的質量也會變得很小,以至于在我們日常生活中完全可以忽略不解,我們更不可能直觀地感受到汽車質量的增加。

同時也正因為如此,我們通常都默認質能方程中的M就是物體的靜質量,當然我們不會直接說靜質量,而會說質量,這只是一種習慣,一種默認。

但默認歸默認,我們自己要知道公式中M的真正含義,需要明白運動的物體比靜止的物體質量更大一些。

其實這樣的例子在我們生活中比比皆是。比如說,對于很多80和90后來說,小時候家里的電力供應并不充足,所以手電筒就成了必備的家用電器。

對于手電筒,我想說的是,當手電筒打開時,它的質量會變小,你知道為什么嗎?

這與剛才的小汽車的原理是一樣的。手電筒打開之后,就會向外發(fā)射出光線,而光就是能量,是由電池里面的化學能轉換成電能,然后是光能。光能輻射出去之后,能量就減少了,當然手電筒的質量也會變小。

只不過變小的幅度非常有限,我們同樣不可能感受到這種微小的變化。

明白了這一點,下面再來看看一開始所講的問題:單個氫原子的質量,為何要比一個質子加一個電子的質量總和小一點呢?

能量包括很多種,有上面所說的動能,熱能,化學能,電能,光能等,當然還有我們很少注意的勢能,而氫原子內部就有勢能,準確地說是質子和電子之間有勢能。

可以這樣理解,假設質子與電子相距無限遠,那么兩者之間的勢能就是零。這很好理解,就像我們在地球上也有勢能,假設我們到了無窮遠的地方,勢能就是零。

隨著電子和質子不斷靠近,勢能就會逐漸變小,就會出現負勢能。當然,電子圍繞質子運動也會有動能,但兩者加起來的能量仍舊是負的,因為負勢能的絕對值更大。

既然是負勢能,那么根據M=E/C平方這個公式來計算,得出來的質量當然也是負的。那么氫原子的質量當然要小于質子與電子的質量總和了,因為這個質量總和還要減去負勢能等價的質量。

說完了質子與電子之間的關系,我們再來看看質子或者中子本身的質量組成。

我們都知道,質子和中子都是由三個夸克組成的,不同的是,質子是由兩個上夸克和一個下夸克組成,而中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。

按道理講,質子或中子的質量應該等于三個夸克的質量總和,但事實也并非如此。而且實際情況讓很多人驚訝:三個夸克的質量總和只找占整個質子質量的不到1%而已!

問題就來了:剩下99%的質量到底哪里去了?

簡單來說,剩下的99%質量其實都表現為能量,這些能量又是什么類型的能量呢?

通俗理解:核能!把三個夸克緊緊束縛住的能量,三個夸克通過強相互作用力緊緊束縛在一起,不至于分崩離析,強相互作用力帶來的能量是非常強大的。

強相互作用力通過膠子來傳播,傳播速度為光速。剩下的99%質量就是夸克之間傳遞強相互作用力的能量。

其實強相互作用力不僅僅作用于夸克之間,還作用于原子核內部的核子之間,也就是中子質子之間。強相互作用帶來的能量是巨大的,到底有多大?

理論上,把核子分開與把核子束縛在一起的能量是一樣的,兩者只是過程相反罷了。其實兩者利用的都是核能,也就是核子之間的強大能量。

核能分為核裂變和核聚變,字面意思就能理解,裂變就是把核子分開,聚變就是把核子聚合。而平時我們所說的原子能就是核裂變,看看原子彈爆炸的威力有多強,就知道核子之間蘊藏的能量有多大了!

當然,關于質量,還有一個問題,夸克和電子都是基本粒子,它們自身的質量到底是如何產生的呢?

簡單來講,是因為希格斯場的存在,基本粒子會與希格斯場發(fā)生作用,具備了勢能,在這個過程中獲得了質量。

希格斯場遍布宇宙的每個角落,希格斯場受到激發(fā)就會形成希格斯粒子,也被稱為“上帝粒子”,它是質量的源泉。

可以這樣通俗理解,基本粒子在希格斯場里運動時,會與希格斯粒子發(fā)生作用,從而發(fā)生減速,在減速的過程中獲得了質量。

也就是說,基本粒子本應該都以光速飛行,但絕大多數基本粒子會與希格斯粒子發(fā)生作用,從而減速,所以,它們無論如何都不可能達到光速。而且,與希格斯粒子發(fā)生作用越大,質量也就越大。

打個通俗的比方,一個超級明星行走在大街上,周圍的人群立刻就會一擁而上,把超級明星緊緊地包圍起來,如此一來超級明星行走就會變得非常困難,也就相當于質量會很大。而普通人行走在大街上根本沒有人理會,暢通無阻,幾乎不會有任何阻力,相當于質量很小。

還有一些基本粒子,比如說光子和膠子,根本不會與希格斯粒子發(fā)生任何作用,所以光子始終會以光速飛行,而且一出生就是光速,沒有任何加速過程。通俗來講,就是我們經常所說的“光沒有靜質量”,或者說“光的靜質量為零”。

但是,光具有動質量,這種動質量其實也是能量的另一種表現形式。光本身也是一種能量,根據愛因斯坦質能方程,就可以計算出光的動質量。

說到底,這個世界更本質的東西是能量,而不是質量。我們常說“質量是物體的固有屬性”,這個結論只是為了方便我們理解而進行的通俗定義,畢竟日常生活中我們每天都會看到“活生生”的擁有質量的物體,很難直觀感受到物體是由能量組成的。

但更嚴謹來講,質量只是物體的一種屬性,而不是固有的東西,能量才是固有的東西。甚至可以這樣說,萬物都是能量。通俗理解就是:質量是能量的聚合形式,而能量是質量的離散形式。

量子場論也直擊了質量的本質:萬物其實都是能量包!可以這么通俗理解,宇宙一開始并不是“一無所有”,而是充滿了各種基本場,比如說希格斯場,電子場,中子場,中微子場,電磁場等,這些場通常處于最穩(wěn)定的基態(tài)。

而一旦基態(tài)的場受到擾動,就會成為激發(fā)態(tài)。基態(tài)的場就像平靜無風的大海,而激發(fā)態(tài)的場就像洶涌澎湃的大海。受到激發(fā)之后,場就會形成對應的基本粒子,就相當于洶涌澎湃的大海形成的小水珠一樣。

根據量子力學不確定性,基態(tài)的場總是會受到某種擾動,成為激發(fā)態(tài);玖W泳褪沁@樣形成的。能夠看出,基本粒子本質上也是場,而場都是有能量的,即便是基態(tài)的場也具有最低的能量。

也就是說,基本粒子其實就是“能量包”,而萬物又都是由基本粒子組成的,當然你我都是“能量包”!

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