- 愛因斯坦在1934年爲一群旁觀者推導出了狹義相對論。
我們用來描述宇宙的所有方程中，最著名的一個就是：E = mc^2，也是最深刻的。它是100多年前由愛因斯坦首次發現的，它教會了我們許多重要的事實。我們可以把質量轉化爲純粹的能量，比如通過核裂變、核聚變或物質反物質湮滅。我們可以從純粹的能量中創造出粒子(和反粒子)。也許最有趣的是，它告訴我們，任何有質量的物體，無論我們如何冷卻它，使它慢下來，或使它與其他物體隔離，它總會有一定數量的固有能量。但是這些能量從何而來呢？
在方程E = mc^2中，“ m ” 中的能量從何而來？
讓我們深入物質的內部，在最小的尺度上尋找答案！
- 複合粒子和基本粒子的大小，可能還有更小的粒子在已知的範圍內。隨著大型強子對撞機的出現，我們現在可以把誇克和電子的最小尺寸限制在10^-19米以內，但我們不知道它們到底能往下走多遠，也不知道它們是像點一樣的有限尺寸，還是實際上是複合粒子。圖片來源：費米實驗室
我們需要做的第一件事就是要理解公式E = mc^2。
- E代表能量：在這種情況下，我們觀察的粒子中包含的總能量。
- m代表質量：我們考慮的粒子的總靜止質量，不受任何已知力(萬有引力、核力或電磁力)約束的質量。
- c^2是光速的平方。
我們可以從核反應中獲取大量能量的原因直接來自于該方程 E = mc^2。
- 邁克是第一個被測試的氫彈。釋放這麽多能量相當于大約500克的物質被轉化爲純能量。
即使我們只把一個公斤的質量轉化爲能量，則意味著我們會得到相當于21.5噸TNT爆炸所釋放出的能量。這就解釋了爲什麽太陽會輸出這麽多能量；爲什麽核反應堆如此高效；爲什麽受控核聚變的夢想是能源的“聖杯”;以及爲什麽核彈如此強大，又如此危險。
質能方程意味著存在一種形式的能量，無論怎樣，能量都不會被奪走。只要質量存在，這種形式的能量就永遠與它同在。許最有趣的是，所有其他形式的能量都可以被移除。
- 宇宙中其他基本粒子的質量決定了它們何時以及在何種條件下可以被創造出來，同時也描述了它們如何在廣義相對論中彎曲時空。圖來自UNIVERSE-REVIEW
一個運動中的粒子有動能。當一個快速移動的大質量物體與另一個物體碰撞時，不管發生什麽，碰撞都會産生能量，它是粒子運動固有能量的一種形式。
但這是一種能量形式，可以在不改變粒子本身性質的情況下被移除。你可以減少粒子的總能量，但只能降到某個最小值。即使你消除所有的動能，其仍然具有靜止質量能量：E = mc^2。
- 一個關于行星如何圍繞太陽運行的精確模型，然後太陽以不同的運動方向在星系中移動。。
對于任何系統，你能想到的所有其他形式的能量——勢能、結合能、化學能等等——都是獨立于靜止質量之外的。在適當的條件下，這些形式的能量可以被帶走，只留下靜止的、孤立的粒子。
那麽靜止質量中的能力從何而來？你可能很快就會回答：“希格斯玻色子”，它在一定程度上是正確的。在宇宙的早期，大爆炸後不到1秒，電弱對稱將電磁力與弱核力統一起來，恢複爲單一力。當宇宙足夠膨脹和冷卻時，這種對稱性就會打破，標准模型中的粒子就會受到巨大的影響。
- 當一個對稱被恢複(頂部的黃色球)，所有的東西都是對稱的。當對稱性在較低的能量(藍球，底部)被打破時，所有方向都是一樣的。
首先，許多粒子——包括所有的誇克和帶電的輕子——獲得了非零的靜止質量。由于這些能量量子與希格斯場的耦合，許多粒子現在都有了非零的靜止質量。這部分回答了這些粒子的能量從何而來：從它們與基本量子場的耦合過程獲得。
但事情並不總是那麽簡單。如果你計算一個電子的質量，並試圖基于電子與希格斯介子的耦合來解釋它，你就會100%的成功：希格斯介子對電子質量的貢獻正好給出了電子的質量。但是如果你試圖用這個來解釋質子的質量，通過把剩下的誇克和膠子的質量加起來，你就做不到了。事實上：您不會得到938 MeV /c²的实际值，而只会得到大约1％的值。
- 此圖顯示了標准模型的結構。特別地，這張圖描述了標准模型中的所有粒子(包括它們的字母名稱、質量、自旋、旋向、電荷以及與規範玻色子的相互作用)。圖片來源：維基共享的萊瑟姆·博伊尔和马杜斯
既然質子(以及其他相關的原子核)都是由誇克和膠子構成的，並且構成了宇宙中正常物質的大部分質量，那麽肯定還有另一個因素。就質子而言，“罪魁禍首”是強大的核力。與引力和電磁力不同，強核力——基于量子色動力學和誇克和膠子的“顔色”屬性——實際上兩個誇克離得越遠，核力就越強。
每個原子核由三個誇克組成，原子核中的每個核子由誇克之間交換的膠子連接在一起：誇克離得越遠，這種類似彈簧的力就越強。質子的大小是有限的，盡管它是由點狀的粒子構成的，這是因爲這種力的強度以及原子核內粒子的電荷和耦合。
- 由于“顔色電荷”的存在和膠子的交換，産生了這種強大的力，這種力使原子核結合在一起。
如果誇克能以某種方式釋放出來，宇宙中的大部分物質就能重新轉化爲能量。E = mc^2是一個可逆反應。在超高能量的情況下，比如在非常早期的宇宙中，或者在像RHIC這樣的重離子對撞機中，或者在大型強子對撞機中，這些條件都被實現了，産生了誇克-膠子等離子體。然而，一旦溫度、能量和密度降至足夠低的值，誇克就會重新被束縛，這就是大部分正常物質的質量來源。
換句話說，即使有希格斯玻色子提供的非零靜止質量，三個自由誇克也遠不如把這些誇克結合成質子和中子這樣的複合粒子那樣有利。在我們的宇宙中，構成已知質量(m)的大部分能量(E)來自于強核力，以及由控制帶顔色電荷的粒子的量子規則所引入的結合能。
- 質子的三價誇克參與了自旋，膠子、海誇克和反誇克也參與了自旋，軌道角動量也參與了自旋。
我們很久以前就知道能量總是可以從一種形式轉換成另一種形式。但這是有代價的：向系統注入足夠的能量以消除額外的能量。對于之前的動能的例子，這意味著提高速度(作爲觀察者)直到它們匹配，這兩者都需要能量的輸入。
對于其他形式的能量，它可能更複雜。中性原子的質量比電離原子小約0.0001%，因爲電子與原子核的電磁結合會釋放出每個原子約10 eV的能量。由于質量引起空間的變形而産生的引力勢能也起作用。即使是地球，作爲一個整體，它的質量也比組成它的原子小0.00000004%，因爲我們這個世界的引力勢能總和爲2×10^32焦耳。
- 不是一個空的、空白的、三維的網格，放下一個質量會導致原本是“直線”的線變成特定數量的曲線。
當談到愛因斯坦最著名的方程式時，E = mc^2 告訴我們，質量的一切都具有其固有的基本能量，無法以任何方式將其消除。只有通過使其與反物質碰撞（導致能量釋放）或向其中注入足夠的能量（僅對于複合粒子，其基本成分保持完整），我們才能將該質量轉換回某種形式的能量。
對于標准模型的基本粒子，希格斯場及其與每個粒子的耦合提供了構成質量m的能量 。但是，對于宇宙中大多數已知的質量，質子，中子和其他原子核而言，強大的力産生的束縛能使我們獲得了大部分質量 m。對于暗物質？尚無人知道，但這可能是希格斯某種形式的結合能，或其他完全新穎的東西。但是，無論原因是什麽，都爲這種看不見的物質提供了能量。 E = mc^2 一定是正確的。
想了解更多精彩內容，快來關注老胡說科學