偉大的質能方程

李康盛

什么是質能方程？

1905年，愛因斯坦在深入研究物體慣性和它自身能量的關系之后，提出了物理學史上最著名的方程——質能方程，即E=mc2。

這個方程式出名到什么程度呢？如果你仔細觀察，也許你每天都能見到，因為它已經成為了我們生活的一部分——它是科普文章中的熱門主角，它被印在無數的T恤和海報上，在電影和脫口秀中也經常被提及。也許不是所有人都知道這個式子的具體含義是什么，但幾乎所有的人都見過它，不少人還知道它的提出者——偉大的猶太裔美籍物理學家愛因斯坦。

質能方程揭示了太陽發光的原因

質能方程表述為物質的能量（E）等于物質的質量（m）和光速平方（c2）的乘積。E=mc2也許是你見過的最簡單的公式之一，但是它的意義卻大到可以用“開創性”來形容。愛因斯坦第一次揭露了質量和能量的關系，打破了質量守恒的傳統認知。質能方程表明，質量和能量可以相互轉化。質量和能量，這是兩個極其重要的基本物理量。它們原來被認為是毫不相關的，但天才的愛因斯坦卻通過光速的二次方這個因子，直接將它們等價了起來，令人驚嘆。

質能方程對于微觀物理的研究有著相當大的作用：它解釋了核變反應中的質量虧損問題，還解決了高能物理中粒子的能量的計算問題。而由于光速非常的大，即使是小質量的物體也包含著巨大的能量，所以它也是原子彈的理論來源。

質能方程的四點解讀

一：質量不守恒。人們根據常識推測質量是不變的，例如一個物體，把它切為兩半，這兩半的質量和與原先整體的質量稱起來是一樣的。但事實真是如此嗎？也許質量有變化只是由于精度問題我們沒有測量到呢？也許我們應該從微觀領域入手——鐵原子含有26個質子、26個電子和30個中子，科學家們通過對比發現：鐵原子的質量小于獨立的鐵原子核（原子核包含質子和中子）與26個電子的質量和;鐵原子核的質量小于獨立的26個質子和30個中子的質量和。這就和我們的常識不符了，原因是電子、質子和中子在結合成原子核的過程中會釋放能量，而這個能量是由質量轉化而來的。所以鐵原子的各組分在結合成鐵原子的過程中損失了質量。

二：質能方程揭示了太陽發光的原因。太陽質量的大約四分之三是氫，剩下的幾乎都是氦。太陽中心的溫度高達1600萬度，壓力也很大。在這極端的環境下，質子之間發生了核聚變——兩個質子（質子由氫原子提供）發生融合，形成了一個氘核。氘核再先后與兩個質子結合，形成氦4核。而氦4核的質量只為形成它的4個質子質量的99.3%，這意味著有0.7%的質量轉化為能量釋放出去了。在形成每一個氦4原子的過程中，大約釋放出28兆電子伏特的能量。一個氦4原子輕得簡直可以忽略不計，但太陽每秒鐘能產生5.96億噸的氦4，這過程中產生的能量就大得驚人了。

三：質量轉化為能量的效率為100%。無論什么反應，其產生的能量總是等于反應物與生成物之間的質量差與光速的平方的乘積。例如電子和正電子湮滅后，產生兩個光子。這兩個光子的能量為511000電子伏特，而電子和正電子的靜止質量包含的能量恰好是511000電子伏特。所以，獲得能量的所有方式中，由質量轉化為能量是最節能的了，它的效率為100%。

四：能量可以創造質量。從相對論我們知道，物體的質量分為靜止質量和運動質量。運動質量與速度有關：物體的速度越大，其質量也就越大。所以，一個物體，如果我們增加它的速度，它就會包含更大的能量，這樣它就有可能轉化為其他靜止質量更大的物體。例如我們把兩個電子的速度加到足夠大并使其對撞，可以產生一對新粒子：一個物質粒子（電子、μ子、質子等）和一個反物質粒子（正電子、反μ子、反質子等），這對新粒子的靜止質量大于兩個電子的靜止質量。

偉大的質能公式已經成為物理學大廈的一根頂梁柱。愛因斯坦為人類留下了豐厚的知識財富，而站在巨人的肩膀上，我們必將走的更遠。