如何理解质能方程?

几百年来,有一个永恒的物理定律,它从没有受到过挑战:在宇宙中发生的任何反应中,质量始终是守恒的。无论发生反应的反应物是什么,反应的过程是如何进行的,最后有什么产物产出,发生反应的反应物的质量总和总是和反应后所有产物的质量总和相等。但是在狭义相对论中,质量根本不可能是一个守恒量,因为不同参考系的人会认为两个参考系的能量是不同的。相反,爱因斯坦从中推出了我们今天仍在使用的一个规律,这个规律由简单却又很强大的公式所记录,那就是:E = mc²。
这个方程仅仅由三项构成:
1.E,也就是能量,方程的其中一边有且仅有这项,它代表的是系统的能量总和。
2.m,也就是质量,通过一个转换因子就能将其和质量联系在一起。
3.c²,光速的平方,是一个可以让E和m等同起来的因子。
1925年,玻尔和爱因斯坦在爱伦菲斯特家中讨论一些当时的物理学前沿问题。
这个等式意味着什么呢?毫不夸张地说,它彻底颠覆了人们的认知。正如爱因斯坦所说的那样:
“从狭义相对论来看,质量和能量是同一事物的不同表现形式——对一般人来说,这可能是个不同寻常的概念。”
下面是这个简洁的方程的三个最大的意义。
即使是静止的物体也具有属于它们的固有能量。也许你已经知道了一些很多种类型的能量,如机械能、化学能、电能以及动能。这些都是移动的物体或者发生反应的化学物质所具有的固有能量,这些能量可以用来做功,如启动引擎、给灯泡充电、把谷物磨成面粉等。但是,即使是平整的、陈旧的、排列得整整齐齐的静止物体也具有一定的能量,而且是巨大的能量。

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本文刊登于《视野》2024年18期
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