伟大的质能方程

李康盛

什么是质能方程？

1905年，爱因斯坦在深入研究物体惯性和它自身能量的关系之后，提出了物理学史上最著名的方程——质能方程，即E=mc2。

这个方程式出名到什么程度呢？如果你仔细观察，也许你每天都能见到，因为它已经成为了我们生活的一部分——它是科普文章中的热门主角，它被印在无数的T恤和海报上，在电影和脱口秀中也经常被提及。也许不是所有人都知道这个式子的具体含义是什么，但几乎所有的人都见过它，不少人还知道它的提出者——伟大的犹太裔美籍物理学家爱因斯坦。

质能方程揭示了太阳发光的原因

质能方程表述为物质的能量（E）等于物质的质量（m）和光速平方（c2）的乘积。E=mc2也许是你见过的最简单的公式之一，但是它的意义却大到可以用“开创性”来形容。爱因斯坦第一次揭露了质量和能量的关系，打破了质量守恒的传统认知。质能方程表明，质量和能量可以相互转化。质量和能量，这是两个极其重要的基本物理量。它们原来被认为是毫不相关的，但天才的爱因斯坦却通过光速的二次方这个因子，直接将它们等价了起来，令人惊叹。

质能方程对于微观物理的研究有着相当大的作用：它解释了核变反应中的质量亏损问题，还解决了高能物理中粒子的能量的计算问题。而由于光速非常的大，即使是小质量的物体也包含着巨大的能量，所以它也是原子弹的理论来源。

质能方程的四点解读

一：质量不守恒。人们根据常识推测质量是不变的，例如一个物体，把它切为两半，这两半的质量和与原先整体的质量称起来是一样的。但事实真是如此吗？也许质量有变化只是由于精度问题我们没有测量到呢？也许我们应该从微观领域入手——铁原子含有26个质子、26个电子和30个中子，科学家们通过对比发现：铁原子的质量小于独立的铁原子核（原子核包含质子和中子）与26个电子的质量和;铁原子核的质量小于独立的26个质子和30个中子的质量和。这就和我们的常识不符了，原因是电子、质子和中子在结合成原子核的过程中会释放能量，而这个能量是由质量转化而来的。所以铁原子的各组分在结合成铁原子的过程中损失了质量。

二：质能方程揭示了太阳发光的原因。太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦。太阳中心的温度高达1600万度，压力也很大。在这极端的环境下，质子之间发生了核聚变——两个质子（质子由氢原子提供）发生融合，形成了一个氘核。氘核再先后与两个质子结合，形成氦4核。而氦4核的质量只为形成它的4个质子质量的99.3%，这意味着有0.7%的质量转化为能量释放出去了。在形成每一个氦4原子的过程中，大约释放出28兆电子伏特的能量。一个氦4原子輕得简直可以忽略不计，但太阳每秒钟能产生5.96亿吨的氦4，这过程中产生的能量就大得惊人了。

三：质量转化为能量的效率为100%。无论什么反应，其产生的能量总是等于反应物与生成物之间的质量差与光速的平方的乘积。例如电子和正电子湮灭后，产生两个光子。这两个光子的能量为511000电子伏特，而电子和正电子的静止质量包含的能量恰好是511000电子伏特。所以，获得能量的所有方式中，由质量转化为能量是最节能的了，它的效率为100%。

四：能量可以创造质量。从相对论我们知道，物体的质量分为静止质量和运动质量。运动质量与速度有关：物体的速度越大，其质量也就越大。所以，一个物体，如果我们增加它的速度，它就会包含更大的能量，这样它就有可能转化为其他静止质量更大的物体。例如我们把两个电子的速度加到足够大并使其对撞，可以产生一对新粒子：一个物质粒子（电子、μ子、质子等）和一个反物质粒子（正电子、反μ子、反质子等），这对新粒子的静止质量大于两个电子的静止质量。

伟大的质能公式已经成为物理学大厦的一根顶梁柱。爱因斯坦为人类留下了丰厚的知识财富，而站在巨人的肩膀上，我们必将走的更远。