根據愛因斯坦的E=mc²,是不是所有物质其实都具有巨大的能量?
是的,只不過其背後的道理非常深刻!
愛因斯坦的E=mc²是狭义相对论的结果,不管物体是运动的还是静止的都成立:对于静止的物体,m就是物體的固有質量或者靜止質量,所以必然具有巨大的能量,而運動的物體的質量隨速度增加,因此能量也增加(相當于增加了動能)。由于光子的速度是光速,所以光子不可能具有靜止質量,而靜止質量不爲零的物體或者粒子的速度也不可能達到光速,速度趨近于光速時其能量趨近于無窮大。
那麽E=mc²是否正确呢?正确!因为大量的实验已经精确地验证了这个公式,比如小到實驗室中的核裂變和核聚變反應都測量到了質量減少所産生的能量和E=mc²完全一致,而原子弹、氢弹、核电站都是对E=mc²的验证。反过来,实验室中也经常可以观察到m=c²/E,也就是能量向物質的轉化,比如伽馬射線光子産生正負電子對以及其它的正反物質對,真空漲落也不斷通過能量的變化産生正反物質對。因此E=mc²已经得到了全面和大量的验证。
但是有一個問題非常重要:是先有物質還是先有能量?
從宇宙的尺度上,很顯然是先有能量再有物質,因爲大爆炸開始的時候並沒有我們現在的物質,甚至連組成我們的原子的電子、質子和中子都沒有,這些都是大爆炸之後由能量根據m=c²/E變過來的,所以能量比質量更加基本。
但是事情其實比上面解釋的更加有趣!我們知道,質子和中子並不是基本粒子,其內部是誇克和膠子。膠子沒有質量,誇克有質量,但是如果把其內部的誇克的質量都加起來,你立刻發現這遠遠不夠質子和中子的質量。質子和中子的質量是哪裏來的?答案是能量!
由于質子的體積非常小,誇克和膠子要想在被困在這麽小的體積裏面,根據海森堡不確定性原理,它們就得具有很大的動量,因此就必須具有很大的能量。把這些能量加起來然後按照m=c²/E計算,就得到了質子和中子的質量!質子和中子的質量主要來自于其內部的誇克和膠子的能量!
但是誇克畢竟是有質量的,誇克的質量來自于哪裏?實際上,這個問題對所有具有質量的基本粒子(包括電子)都不是一個簡單的問題,因爲最基本的粒子物理模型裏面所有粒子的質量都是零。後來物理學家們就提出來有一種特殊的場(希格斯場,其存在已經被實驗所證實),本來質量爲零的基本粒子和這個場作用獲得了質量,最終還是能量轉化成了質量!
事實上,愛因斯坦最早的表述就是m=c²/E,他想說的就是質量的來源是能量,只不過被後人逐漸寫成了E=mc²!愛因斯坦的深刻洞察力的確是遠超同時代的人!今天我們利用E=mc²把物质变成能量,不过是自然造出物质的逆过程而已,并没有什么奇怪的。
如前所述,E=mc²是狭义相对论的结果,但是却能够适用于所有尺度、所有作用力、所有粒子,没有发现任何的违背和偏离,因此是完全没缺陷。而其它所有已知的科学规律都有适用的范围,所以E=mc²又是极为不常见的。因此按照本人的美学理论(请上网搜索“张双南美学”),E=mc²就是最美的科学公式!
作者:張雙南