质量和能量可以相互转化?不对,质量和能量根本就是一回事
时间和空间是两个看似毫不相关的概念,但事实上却是一个不可分割的整体。
从理论上来讲,时间和空间的存在都依赖于物质,时间的本质是量子态计数,也就是物质的运动和变化,而空间则是物质变化的结构呈现,所以二者的本质都是物质,自然也就不可分割。
在狭义相对论所描述的钟慢效应和尺缩效应中,时间与空间的联系被再一次证实。高速运动的物体时间流逝速度会变慢,而长度会缩短,可见运动对于时间和空间具有同步的影响。像时间和空间这样看似并不相关,实际上却是一体的还有质量和能量。
质量和能量放在一起被称为质能,而说到质能,我们就会想到质能方程,而提到质能方程,我们很容易就会想到提出质能方程的爱因斯坦。
很多人误会了爱因斯坦,也误会了质能方程,他们认为质能方程说明了质量和能量可以相互转化,而事实上这种说法是错误的,质量和能量无法相互转化,因为二者根本就是一个整体,又何来转化呢?在质能方程中,这一点体现的极为明确,质量等价于能量。正是因为质量守恒、能量守恒,所以才有了质能守恒。为了便于理解,我们还是可以从物质运动的角度去思考这个问题。
我们知道,任何运动中的物体都是具有动能的,而动能的大小和物体运动的速度呈现正比关系。
另一方面,从相对论可知,任何具有质量的物体在运动的过程中会产生一个惯性质量,运动速度越快,惯性质量就越大。这是一件有意思的事情,一个物体运动越快,动能就越大,也就是说它的能量就越大,同时质量也就越大。
而事实上这个物体的质量和能量是一回事。我们可以这样说,质量和能量实际上是对于同一事物的两种测量方式。我们误会质量和能量是两个概念,甚至误会质量和能量可以相互转化,这与现实中的一些现象是息息相关的。
炸弹爆炸最容易导致我们对质量和能量的概念产生误会,因为在爆炸过后,原本爆炸物的质量确实是减少了。
面对这种现象我们很自然的就会联想到质量转化为了能量。但实际上不是这样的,我们可以进行这样一个实验,就是将爆炸物放在一个完全密封的容器中引爆,没有任何物质可以从这个容器中泄露而出。
引爆后再次测量容器的重量,就会发现其重量是不变的。这说明能量和质量之间是等价关系,并不是转化关系,每单位的能量都对应着相应的质量,所以能量减少,质量必然降低,质量降低,能量必然减少。
质量为什么会等价于能量?或者说两者为什么是统一的呢?
我们可以从高能物理中找到较易理解的答案。在高能物理中,物质的质量主要来源于束缚夸克的强相互作用输出的能量。通俗一点来说,就是物质运动的能量就是物质质量的本质。
而且物质运动的能量并非物质的全部质量,因为通过计算会发现物质的质量要比物质运动的能量多上那么一点点,而那一点点则来源于非实物的场,具体一点来说就是粒子和希格斯场之间的相互作用。总结一下,物质的质量等于物质运动的能量加上非实物的场,两者是同一事物的两种不同表现,或者说两种计量方式,总之,能量就是质量。