愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程公式E=MC平方，相信大家都知道，公式簡(jiǎn)潔明了，讓我們第一次明白了能量與質(zhì)量之間原來(lái)存在這種關(guān)系。以前大家都認(rèn)為能量與質(zhì)量毫不相干，而智能方程讓我們明白能量與質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)換，兩者可以理解為一個(gè)東西的兩種表現(xiàn)形式。

單從公式來(lái)看，公式E=MC平方中的E指的是能量，M代表質(zhì)量，而C代表光速。對(duì)于普通吃瓜群眾來(lái)講，其實(shí)了解這么多也差不多了。但如果你想深入了解，會(huì)發(fā)現(xiàn)M不僅僅代表質(zhì)量那么簡(jiǎn)單，還隱藏著更深層的奧秘。

E=MC平方公式，很多人認(rèn)為能量與質(zhì)量是等價(jià)的，質(zhì)量是能量的另一種表現(xiàn)形式。其實(shí)嚴(yán)格來(lái)講，這種觀點(diǎn)并不太嚴(yán)謹(jǐn)，不過(guò)普通人那樣通俗理解也沒(méi)有錯(cuò)，畢竟普通人對(duì)科學(xué)的理解還是要兼顧通俗，不能過(guò)多地強(qiáng)調(diào)專業(yè)和嚴(yán)謹(jǐn)。

但是作為科普工作者來(lái)講，通俗的要講，嚴(yán)謹(jǐn)性也要讓大家知道。今天就和大家一起來(lái)接質(zhì)能公式E=MC平方更深層的含義。

首先我們從組成萬(wàn)事萬(wàn)物的原子開(kāi)始說(shuō)起。

拿氫原子來(lái)講，氫原子最簡(jiǎn)單，由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成，那么，氫原子的質(zhì)量就應(yīng)該等于一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量加上一個(gè)電子的質(zhì)量。這很好理解。

但事實(shí)上并非如此，真實(shí)的情況是，氫原子的質(zhì)量要小于一個(gè)質(zhì)子與一個(gè)電子的質(zhì)量總和！

是不是覺(jué)得不可思議？為什么會(huì)出現(xiàn)這種看似矛盾的現(xiàn)象呢？

簡(jiǎn)單來(lái)講，一個(gè)物體的質(zhì)量其實(shí)包含兩個(gè)方面：組成物體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，比如說(shuō)組成氫原子的質(zhì)子和電子，還有就是該物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量！

如何理解“物體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)量”呢？舉個(gè)例子就明白了。

假設(shè)有兩輛一模一樣的汽車，一輛靜止在地面上，另一輛在大街上行駛，兩輛汽車的質(zhì)量是一樣的嗎？

并不一樣，在大街上行駛的那輛小汽車質(zhì)量會(huì)更大。為什么？

原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠囋谶\(yùn)動(dòng)，就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)一直在啟動(dòng)的狀態(tài)，汽車內(nèi)部的很多齒輪都在轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中一定會(huì)產(chǎn)生熱能。而從微觀層面理解，產(chǎn)生的熱能會(huì)讓組成汽車的基本粒子的運(yùn)動(dòng)更劇烈，擁有更大的動(dòng)能。

而不管是熱能還是動(dòng)能，都是能量。而質(zhì)能方程E=MC平方也可以表達(dá)為：M=E除以光速平方，把以上所有的熱能和動(dòng)能加在一起，除以光速的平方，就可以換算成質(zhì)量。當(dāng)然還有狹義相對(duì)論中速度引起的質(zhì)增效應(yīng)，也會(huì)讓運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量增加。

而運(yùn)動(dòng)起來(lái)的小汽車，比靜止不動(dòng)的小汽車多出來(lái)的質(zhì)量，就是上面所講的質(zhì)量。所以，行駛中的小汽車質(zhì)量會(huì)更大。只不過(guò)由于光速實(shí)在太大了，平方之后更大，需要很多的能量才能轉(zhuǎn)換為一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，因?yàn)槿粘Ｉ钪?，我們完全感受不到運(yùn)動(dòng)讓物體增加的質(zhì)量。

因此，通常情況下，質(zhì)能公式中的M都會(huì)被默認(rèn)為靜質(zhì)量，也就是靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量，我們平時(shí)說(shuō)質(zhì)量的時(shí)候，也沒(méi)有必要刻意強(qiáng)調(diào)是靜質(zhì)量。比如你稱體重時(shí)，顯然不會(huì)說(shuō)自己的靜質(zhì)量是多少多少，只會(huì)說(shuō)是質(zhì)量。

不過(guò)我們需要明白一點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量確實(shí)比靜止物體的質(zhì)量更大。

當(dāng)然還有更多更通俗的例子，比如說(shuō)很多人小時(shí)候都用過(guò)手電筒。但你或許并不知道，你或許還不知道，在打開(kāi)手電筒時(shí)，手電筒的質(zhì)量就會(huì)變小一些，當(dāng)然變小的幅度非常有限，你當(dāng)然感覺(jué)不到。

至于說(shuō)質(zhì)量變小的原因，或許你已經(jīng)知道了。就是因?yàn)槭蛛娡舶l(fā)射出光線，光線是一種能量，這些能量是由儲(chǔ)存在電池里的化學(xué)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。其實(shí)不用管怎么來(lái)的，既然手電筒向外輻射能量，意味著能量減少，而質(zhì)能方程告訴我們，能量也可以表現(xiàn)為質(zhì)量，因此手電筒的質(zhì)量當(dāng)然會(huì)減少。

說(shuō)了這么多，還得回到開(kāi)頭的問(wèn)題：氫原子質(zhì)量為什么會(huì)小于質(zhì)子加上電子的質(zhì)量呢？

因?yàn)橘|(zhì)子和電子分別帶正電和負(fù)電，兩者之間具有勢(shì)能。通常我們認(rèn)為當(dāng)質(zhì)子與電子相距無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的勢(shì)能為零。于是，當(dāng)兩者之間的距離不斷縮小，在相互靠近的過(guò)程中，勢(shì)能自然會(huì)變小，也就是說(shuō)，勢(shì)能會(huì)變成負(fù)數(shù)。

雖然電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能，但綜合起來(lái)仍舊是負(fù)的，也就是說(shuō)電子的勢(shì)能絕對(duì)值比動(dòng)能更大。

再根據(jù)質(zhì)能方程E等于MC平方，能量是負(fù)的，質(zhì)量當(dāng)然也是負(fù)的。也就是說(shuō)，氫原子質(zhì)量應(yīng)該等于三項(xiàng)之和：質(zhì)子的質(zhì)量，電子的質(zhì)量，還有就是負(fù)勢(shì)能產(chǎn)生的負(fù)質(zhì)量。

結(jié)果當(dāng)然很明了：氫原子質(zhì)量肯定比質(zhì)子與電子的質(zhì)量總和要小。問(wèn)題完美解決。

當(dāng)然，還有更深?yuàn)W的問(wèn)題：電子和質(zhì)子的質(zhì)量是哪里來(lái)的呢？

這就牽扯到希格斯機(jī)制了，一個(gè)更為復(fù)雜的物理學(xué)機(jī)制，之前的科普文也詳細(xì)講述過(guò)，這里就一筆帶過(guò)了。

簡(jiǎn)單講就是，電子，夸克等基本粒子的質(zhì)量，是通過(guò)希格斯場(chǎng)獲取的。通俗理解就是，電子等基本粒子會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用，在這個(gè)過(guò)程中希格斯場(chǎng)中希格斯粒子會(huì)讓電子等基本粒子發(fā)生減速，在減速的過(guò)程中獲得了質(zhì)量。當(dāng)然，也可以換一種理解方式，電子等基本粒子在與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用時(shí)，獲得了勢(shì)能。

希格斯機(jī)制也告訴了我們一點(diǎn)，其實(shí)任何基本粒子本來(lái)都應(yīng)該以光速飛行，只不過(guò)因?yàn)橄８袼箞?chǎng)的存在，讓基本粒子發(fā)生了減速。而光子膠子等基本粒子不會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生作用，所以一出生就以光速飛行，而且沒(méi)有任何加速過(guò)程。

總結(jié)

說(shuō)了這么多，用一句話來(lái)表達(dá)就是：能量才是最根本的東西，而不是質(zhì)量。之所以把這句話放在最后，就是擔(dān)心如果沒(méi)有鋪墊的話，一開(kāi)始說(shuō)這句話可能很多人會(huì)不理解。也就是說(shuō)，質(zhì)量只是能量的一種外在表現(xiàn)形式罷了。

關(guān)于這一點(diǎn)，量子場(chǎng)論已經(jīng)給出了詳細(xì)的表述，萬(wàn)物其實(shí)都可以看作是“能量包”。通俗理解就是：能量的聚合就是質(zhì)量，質(zhì)量的離散就是能量！

完！