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一个氢原子的质量比组成它的一个质子和一个电子的总质量要小，你没看错，确实要小一些。但怎么会有东西比组成的各部分的总质量还轻呢？ E=MC²可能是所有物理学中最著名的方程，但在1905年的原版中，爱因斯坦写的实际上是另一种形式，他写的是M=E/ C²，这是因为作为物理学的基石，它的核心在于告诉我们质量是何含义。 你会经常看到这样的描述：质量是能量的一种形式，或者质量是冻结的能量，又或者质量可以转化成能量，这些表述都不怎么正确。 在日常生活中那些看似奇怪的例子开始能帮助我们更好地理解M=E/ C²的含义。举一个简单的粒子，即使两个物体由相同的成分构成，它们通常不会有相同的质量，物体的质量并不是其各部分的质量之和，相反，一个复合物体的总质量取决于以下两个方面。第一，其各部分的排列方式；第二，这些部分在物体中的运动方式。 两个具体的例子。设想两个上好发条完全一致的手表，其中一个一直在走动而另一个停止不动。爱因斯坦曾经说过，走动着的质量会大一些，为什么呢？ 走着的表中指针和齿轮都在运动，所以它们有动能，同时卷紧的弹簧还有势能，并且手表的运动部件之间由于摩擦产生了一些热量，使它们的原子运动得更剧烈了一点，这就是热能，或者在更微小的尺度下等价于无规则运动的动能。 而M=E/ C²的意思就是，表中零件的所有动能，势能和热能本身也作为手表质量的一部分，只要把这些能量加起来除以光速的平方，得到的就是动能，是势能和热能部分对总质量的贡献，但因为光速太大，这个额外质量非常小，微乎其微可以忽略不计。爱因斯坦也因此说过，这就是为什么大部分人都错误地认为质量是物体中“物质多少”的指标！ 只是在日常生活中，我们察觉不到这些微小的差异，但它确实存在，如果你有足够精确的称，这是可以测量出来的！ 但要说因为指针在运动使这根指针的质量变大了，这只是过时的说法。多数现代物理学家提到质量都是指静止状态下，或者是“静质量”，所以现在“静质量”这个词已经不用了（直接说质量）。 这样规定的理由很多。其中，所有观测者一致认为静止质量是一种属性，而我们现在讨论的M=E/ C²的M就是静止质量，你可以把质量当作加速物体难以程度的标志，或者物体所受重力大小的指标。但不管怎么看，一个走着的表总是比完全一样但停着的表质量大。 再举个例子，在你打开一个手电筒时，它的质量就立即开始减小，为什么？ 光携带者能量，而这些能量是原本储存在电池里的，作为手电筒质量一部分的电化学能，这些能量散发出去就不再能称到质量了。如此，太阳本质上就是个大型手电筒，因为它也发光，其质量每秒减小40亿千克。 不用担心这个，地球还是照常运转，因为太阳每秒丢失的质量只是太阳总质量的10的21次方分之一。但那算不算太阳将质量转化为能量呢？ 并不是！日光中的能量是在消耗组成太阳的粒子的动能和势能前提下产生的，就在那束光发射之前，太阳里作为质量一部分的动能和势能还大一些，太阳每秒损失的这40亿千克质量其实只是其组成粒子动能和势能的减小，我们所称重的一直都是物体中粒子的能量，只是我们没注意到而已。 还有一个例子。假设我拿着一只手电筒在天秤上一个四周为镜面的封闭盒子中，如果我打开手电筒，秤的读数会改变吗？ 并不会。对手电来说，它的质量会减小，但整个盒子的质量将保持不变。虽然称测得的电化学能变少了，但它同时也测出了没能离开盒子的等量光能增加。即使光本身没有质量，如果你能在盒子中把它提取出来，它所携带的能量仍然以M=E/ C²的形式构成了盒子的总质量，所以秤的读数不会变。 但更有趣的在后面。 在刚才的这些例子中，物体的质量都比组成它的各部分质量之和要大，文章开头我输哦的一个氢原子的质量比组成它的一个质子和一个电子的质量小呢？这又是为什么呢？ 因为势能可以为负。想象一下，质子和电子在它们相距无限远的时候势能为零，因为它们相互吸引，当它们靠近时，其电势能就会降低，这跟靠近地表时你的重力势能会下降是一个道理，因为地球也会吸引着你，所以氢原子内电子和质子的势能是负的。 而氢原子内的电子因为围绕着质子旋转而有正的动能，但结果显示势能负的很大，动能和势能之和还是负的，因此M=E/ C²中的M也是负的，所以氢原子的总质量会小于组成它各部分质量之和！ 实际上，除了某些特殊情况，周期表上所有原子的总质量都比组成它们的质子，中子和电子的质量要小，分子也是一样，一个氧分子的质量比组成它的两个氧原子小，因为一旦形成化学键，这些原子的动能和势能之和就变成负的了！ 那质子和中子本身的质量呢？它们是由一种叫做夸克的物质组成，夸克的质量比质子或中子的质量小2-3千倍，那么质子的质量又是哪里来的呢？ 基本上是来自于“夸克势能”。那么问题又来了，电子和夸克的质量又是来自哪里呢？至少在粒子物理标准模型中它们不再有更小的下层结构，那怎么解释它们的质量呢？ 这是个微妙的问题。简单地说，你可以把它们的质量也当作是对各种势能的一种反映。比如，伴随着电子和夸克与希格斯场作用而形成的势能，又或者与它们自身产生的电场相互作用而形成的势能，对于夸克则是与胶子的相互作用。 那么物质与反物质的湮灭该如何解释呢？这难道不是物质被“转换”成能量了吗？ 同样不是，甚至这一过程都可以用一种方法概念化成一种纯粹的一种能量到另一种能量（动能，势能，光能等）的转变，而根本不需要什么质能转换，事实上你不一定非得将质量“转换”成能量。 也可以这样说，我们所说的质量根本不是一个东西，它是一种属性，而属性是物体各种内线能量的表现形式。如此看来，虽然从物质角度把质量当作“量的多少”的角度是不准确的，但可以把它当作能量多少的度量！所以，你每次称体重的数值其实是你的总能量，只是你没有发现而已！ |
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