这个问题“做一个很大封闭的玻璃盒子,里面放满柴,加足够燃烧完柴的氧气,整体质量会变吗?”其实没有确切的答案,原因是这个玻璃盒子到底和外界有没有完全隔绝。
如果和外界完全隔绝的,那么整体的质量就不会变。
如果不和外界完全隔绝的,那么整体的质量就会变。
其实这里有个很大的误区,来自于很多人对于“质能方程”的误解。很多人以为:质能方程说的是质量和能量可以相互转化。其实这是不对的,质能方程告诉我们的是质量和能量其实是一回事,是同一事物的一体两面。
为什么这么说呢?我们要从质能方程的推导说起。
质能方程
话说,1905年爱因斯坦发表了四篇开创性的学术成果,其中后两篇在后来被称为狭义相对论和质能等价。
在狭义相对论中,爱因斯坦提出运动会使得物体的“时间”和“空间”发生改变。具体来说,就是告诉运动的物体,尺寸会缩短。如
这是由于运动,空间发生的变化。同时,他还说,运动会导致时间膨胀。这是运动对于时间的影响。
我们之所以没有这样的感受,是因为我们生活在宏观低速的环境下,而这种相对论的效应在到高速的情况下才会很明显,而且是越接近光速,越明显。于是,爱因斯坦通过相对性原理和光速不变原理统一了“时间”和“空间”,提出了:
时间与空间一起组成四维时空,构成宇宙的基本结构。
而质能等价其实是他在狭义相对论之后才发现的,下图中第三篇《论运动物体的电动力学》就是狭义相对论,而第四篇《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》就是质能等价。
这是因为,爱因斯坦后来才想到,相对性原理和光速不变原理不仅可以统一“时间”和“空间”,其实还可以统一“质量”和“能量”。
这是因为他发现,运动的物体,质量其实会变大。那具体是咋回事呢?
我们还是需要从公式来推导,爱因斯坦通过狭义相对论,求得相对论质量m。如下面的式子:
其中m0叫做静止质量,也就是速度为0时(静止时)的质量,这时候相对论质量=静止质量。静止质量其实也是牛顿体系下定义出来的质量,它和物体的内部结构有关。
根据公式,我们很容易方向,随着速度的变大,相对论质量也会变大。比如:如果速度是99.45%的光速,通过计算就可以知道:相对论质量=9.55静止质量。
接着爱因斯坦根据这个表达式,还得出这么个结论:
那就是一切静止质量不为0的物体,是达不到光速的,只能低于光速。只有静止质量为0才有可能达到光速。
接近着,爱因斯坦通过动能公式,配合一点微积分,假设了如果速度为零,也就是动能为0时,相对论质量m=静止质量m,那这时就可得到:E=mc^2。也就是我们熟悉的质能方程。
质能等价:能量和质量是一个东西
那质能方程到底啥意思呢?
其实质能方程的具体含义应该这样的:质量和能量不是相互独立的物理量,能量都有质量,质量都有能量,说白了,能量和质量是一个东西。
我们回到问题:“做一个很大封闭的玻璃盒子,里面放满柴,加足够燃烧完柴的氧气,整体质量会变吗?”
就会知道,如果盒子是和外界隔绝的,里面发生反应,但是由于能量并没有以“光”或“热”的形式散出去,那这个时候,整个系统的质量还是原来的质量,并没有发生任何改变。很多人认为的能量由于没有散出去,我们可以通过质能等价E=mc^2,将他换算成相对应的质量。
所以,这里我们可以得出这么一个结论,很多人认为质量是不守恒的,能量也是不守恒的,只有质能才是守恒的。其实这是不对的,由于质能等价的,所以质量就是守恒的,能量就是守恒的,于是,质能才是守恒的。
所以,注意了!质量和能量是一回事,同一种东西的不同面,取决于你如何去测量而已。
同样的,盒子不是与外界隔绝的,这时候能量就会以“光”或者“热”的形式离开系统,这时候失去了能量,其实也就是失去了质量。
所以,这个问题的关键,其实在于如何正确认识“能量”和“质量”,他们其实是一个东西,而不是两种不同的东西。我们日常生活提到的质量,其实是静止质量,也就是和物质结构有关的质量。
但你要知道的是一个东西的净值质量也是能量的。其中99%是来自于束缚夸克的强力输出的能量,我们同样需要通过质能等价来进行换算成质量。1%来自于粒子穿过希格斯场时,相互作用而获得。
也就是说,我们常说的质量本质上也是运动的能量和非实物的场。