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你知道E=mc²,那是先有物质还是先有能量

发布日期:2017年07月06日   文章来源:新浪网   作者:

  爱因斯坦的E=mc2是狭义相对论的结果,不管物体是运动的还是静止的都成立:对于静止的物体,m就是物体的固有质量或者静止质量,所以必然具有巨大的能量,而运动的物体的质量随速度增加,因此能量也增加(相当于增加了动能)。由于光子的速度是光速,所以光子不可能具有静止质量,而静止质量不为零的物体或者粒子的速度也不可能达到光速,速度趋近于光速时其能量趋近于无穷大。

  那么E=mc2是否正确呢?正确!因为大量的实验已经精确地验证了这个公式,比如小到实验室中的核裂变和核聚变反应都测量到了质量减少所产生的能量和E=mc2完全一致,而原子弹、氢弹、核电站都是对E=mc2的验证。反过来,实验室中也经常可以观察到m=c2/E,也就是能量向物质的转化,比如伽马射线光子产生正负电子对以及其它的正反物质对,真空涨落也不断通过能量的变化产生正反物质对。因此E=mc2已经得到了全面和大量的验证。

  但是有一个问题非常重要:是先有物质还是先有能量?从宇宙的尺度上,很显然是先有能量再有物质,因为大爆炸开始的时候并没有我们现在的物质,甚至连组成我们的原子的电子、质子和中子都没有,这些都是大爆炸之后由能量根据m=c2/E变过来的,所以能量比质量更加基本。

  但是事情其实比上面解释的更加有趣!我们知道,质子和中子并不是基本粒子,其内部是夸克和胶子。胶子没有质量,夸克有质量,但是如果把其内部的夸克的质量都加起来,你立刻发现这远远不够质子和中子的质量。质子和中子的质量是哪里来的?答案是能量!

  由于质子的体积非常小,夸克和胶子要想在被困在这么小的体积里面,根据海森堡不确定性原理,它们就得具有很大的动量,因此就必须具有很大的能量。把这些能量加起来然后按照m=c2/E计算,就得到了质子和中子的质量!质子和中子的质量主要来自于其内部的夸克和胶子的能量!

  但是夸克毕竟是有质量的,夸克的质量来自于哪里?实际上,这个问题对所有具有质量的基本粒子(包括电子)都不是一个简单的问题,因为最基本的粒子物理模型里面所有粒子的质量都是零。后来物理学家们就提出来有一种特殊的场(希格斯场,其存在已经被实验所证实),本来质量为零的基本粒子和这个场作用获得了质量,最终还是能量转化成了质量!

  事实上,爱因斯坦最早的表述就是m=c2/E,他想说的就是质量的来源是能量,只不过被后人逐渐写成了E=mc2!爱因斯坦的深刻洞察力的确是远超同时代的人!今天我们利用E=mc2把物质变成能量,不过是自然造出物质的逆过程而已,并没有什么奇怪的。

  如前所述,E=mc2是狭义相对论的结果,但是却能够适用于所有尺度、所有作用力、所有粒子,没有发现任何的违背和偏离,因此是完全没缺陷。而其它所有已知的科学规律都有适用的范围,所以E=mc2又是极为不常见的。因此按照本人的美学理论(请上网搜索“张双南美学”),E=mc2就是最美的科学公式!

【责任编辑:齐越】

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