“同样质量的两个物体”所蕴含的能量到底是不是相同?
实际上这是一个很有趣的问题。不过要了解这个问题之前,我们要先下好定义,其实这个问题把定义下对了,就有了答案了。那关于这个问题,需要解决的是:质量到底是什么?
说白了,只有定义了质量,才有可能搞清楚这个问题。这就需要狭义相对论中的质能等价说起。
质能等价
1905年,爱因斯坦发表了4篇开创性的论文,这4篇论文分别为光电效应,布朗运动,狭义相对论和质能等价。其中质能等价其实也属于狭义相对论的一部分。
那这和质量有什么关系呢?
在狭义相对论当中,爱因斯坦讨论的是在惯性系下的运动形式。其中他想统一空间和时间,认为这两个物理量并不应该分立起来看,而应该结合起来看,并称为时空。这些内容主要是在爱因斯坦的第三篇论文当中。
在第四篇论文中,爱因斯坦继续探讨了质量和能量。结果,他发现,质量和能量其实是一回事,可以统一起来。具体来说,就是质量里有能量,能量里也有质量,这是一个物体的两个属性。而且,爱因斯坦也给出了两者的等价关系:E=mc^2。
关于质能方程,很多人都有个误区,那就是在原子弹爆炸时,是质量转化为了能量,然后释放出来。实际上,这是对质能等价的误解,目前各大物理学教材在讲述这部分知识时,也特意强调了这是一种误区,两者是等价关系而非转化关系,物质既有质量的一面,也有能量的一面,质量不能单独存在,能量也是如此。
因此,质量守恒定律其实是正确的,能量守恒定律也是正确,因为前两者正确,所以质能守恒定律才是正确。而不是因为存在着质能转化,才使得质能守恒定律是正确的。
物质的质量
了解了这些,我们再来看看,物质的质量到底从何而来?
其实这也很好推断,首先,我们知道,万物都是由原子构成的,而原子由原子核和核外电子构成。原子核又是由质子和中子构成,至于质子和中子其实是由夸克构成。
按照目前的理论来看,像电子和夸克,其实都属于不可再分的粒子,被我们称为基本粒子。应该说,万物其实都是由基本粒子所构成的,除了我们常见的夸克和电子,还有μ子,τ子等等基本粒子。
同时,要把这些基本粒子集合到一起,其实就需要相互作用,宇宙中存在着四种相互作用,分别是强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用和引力。它们就像粘合剂一样,把基本粒子集合到了一起,构成了物质。
把夸克束缚在质子或者中子内的,被我们称为强相互作用。科学家发现,按理说物质的质量应该就是原子的质量,如果继续往下分,就是质子和中子、电子的质量之和。如果再继续往下分就应该是夸克、电子的质量之和,也就是基本粒子的质量之和。但是,这部分质量只占了整体物质质量不到1%,那剩余99%的质量从哪来呢?
这就要用到我们刚才提到的质能等价,实际上,99%的质量来自于强力束缚夸克在质子和中子内的能量,通过等价为质量。
看明白了吗?实际上,宇宙中的万物的99%的质量来自于强相互作用的能量,其余的才是粒子的质量。
“同样质量的两个物体”的能量相同吗?
我们再回到刚才的问题上,同样质量的两个物体,说白了,通过质能等价,我们知道E=mc^2,其中质量m是相同,c是光速,就是个常数。因此,能量E也就是一样的。这是从质能等价的角度来看。
如果我们从构成来看,物质的质量=1%的粒子质量+99%的强力提供的能量所对应的质量。因此,我们从这里就能看出,无论是什么物质,由于质量不变,粒子质量和强力提供的能量所对应的质量是不变的。因此,无论是从质能等价还是从微观世界来看这个问题,质量相同的两个物体所蕴含的质量其实是相同的。