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一个氢原子地质量要比组成它的一个质子和一个电子质量之和更小，怎么会有 整体质量小于构成它的部件质量之和这种事呢？这个物理学中最著名的方程式究竟在讲什么？ E等于mc平方大概是所有物理学等式中最著名的了。但是在1905年提出它的那篇文章中，爱因斯坦其实不是这么写的，而是m等于E比上c平方，这是因为这个物理学基石一般的等式在本质上是在让人们重新思考，质量究竟是什么。你常看到这样的说法 像是“质量就是一种能量”或者 “质量是冻结的能量”或 “质量能够转换为能量”（这是最糟的一个了），这三种叙述都不准确，所以试图去理解他们可能会让你很沮丧，为了更好地理解m等于E比c方，我们最好从某些我们日常关于质量的经验去解释。  下面这个论述可能会很反直觉，即便两个物体由完全相同的成分组成，它俩也不一定有相等的质量，一个由更小的部件构成的物体的质量，并不是将这些部件的质量相加这么简单，事实上，这个组合物的总质量还与两个因素有关。第一构成它的部件如何排列，第二这些部件在其中如何运动。例如想象两个由完全相同的原子构成的机械时钟，唯一不同的是，其中一个上紧了发条在转，而另一只是停着的，爱因斯坦会告诉你，上了发条在跑的那只时钟，质量更大，为什么？  第一个时钟的指针和齿轮都在动，他们肯定具有动能，同时上紧了的发条还具有势能，另外运动的部件之间还存在一点摩擦力，这会让它们有轻微的发热，第一只时钟中的原子从而运动地更剧烈一些，这就是热能了或者从更微观的层面来说，是随机化的动能。那么m等于E比c方讲的就是所有存在于时钟部件里的这些动能、势能以及热能。其本身就是时钟质量的一部分，只需要将这些能量相加，再除以光速的平方，就能知道，时钟部件的这些动能、势能、热能究竟给时钟总体贡献了多少额外的质量了。不过由于光速实在太大了，这个额外的质量极其微小，大概只有时钟质量的10的20次方分之一。这就是为什么爱因斯坦会说，我们大多数人一直都错误地把质量当作衡量一个物体中有多少物质的指标。 在日常生活中我们并不能感受到这个差异，因为它实在太小了，但再小它也不是零，如果你有足够敏感的测量手段，你就能测出它等等。这是不是说明由于分针在动所以分针的质量就更大呢？ 并不是这样，这是个过时的观点大多数现代物理学家谈到质量时，都是指物体静止时的质量或者叫“静质量”。在现代术语中，“静质量”这个词是多余的，这么讲是有很多理由的，比如静止质量是一个对所有观察者来说，都不会产生歧义的性质。你可以认为它是一个衡量，加速一个物体费力程度的指标，或者一个物体能受到多少重力的指标。 再举几个例子来让这个问题明确点  无论你什么时候打开一个手电筒，它的质量都会立刻减少，光携带着能量，而那能量之前是存储在电池中的电化学能。因此光的能量也是手电筒总能量的一部分，一旦那部分能量跑掉了，那部分重量也就没有了，同样因为太阳本质上就是个巨大的手电筒，所以它的质量也在不停地减少，理论上来说，太阳每秒钟会发出大约40亿千克的光，不过不用担心，地球的轨道不会受到影响的，那只是太阳质量的10的21次方分之一，在太阳数十亿年的寿命中，阳光的质量也只有总质量的0.07%。那么这是否意味着太阳在将质量转化成能量呢？不是的，这并不是炼金术，阳光的所有能量都来自于其他能量，也就是组成太阳的粒子的动能， 势能。光发出之前，只不过是有更多的动能和势能储存在太阳中，并且体现为太阳的部分质量，太阳每秒损失的那40亿千克质量实际上是太阳组成粒子，动能和势能的减少。  我们一直以来在称量的实际上是物体中粒子的能量，只是我们从没意识到这一点，再比如，假设我拿着手电筒站在一个以镜子为墙壁的密闭盒子里，这个盒子放在一个称上，那么当我打开手电时，称上的读数会变吗？有趣的是，不会变。手电本身的质量确实减少了，但是盒子和它其中物体的总质量并没有变，没错，称确实称出了减少的电化学能，但同时它也称出了等量的光的质量，这次我们并没有让光跑掉，没错，虽然光本身没有质量，但当你把它限制在盒子中时，它的能量依然对盒子的总质量有贡献。通过m等于E比c方，这就是为什么称的读数并不改变。 接下来就很有意思了，目前在我们讨论的所有例子中，物体的质量都要比构成它的部件的总质量大，但在开头说了一个氢原子的质量比组成它的一个电子和一个质子的质量之和要小，这又是怎么回事呢？这是因为 势能可以为负值！假设我们把质子和电子，相距无限远时的势能设定为零点，由于它们相互吸引，他们的电势能，随着它们逐渐靠近而减小，就像的当你越靠近地球表面，你的重力势能也越小一样，因为地球也在吸引你，所以，氢原子中电子和质子的势能为负。其实氢原子中的电子也有动能，根据它围绕质子的运动这个值总是正的，不过，势能负得实在太厉害了，以至于动能和势能的总和依然是负值，因此和E比c方对应的质量也为负值，所以一个氢原子的质量比它各部分质量的总和要小。 实际上除了个别特殊情况，周期表上的所有原子的质量都比构成它们的中子、质子、电子质量的和小。对于分子来说也一样，一个氧分子的质量要比两个氧原子质量之和小，因为当这些原子形成化学后，动能和势能的和为负值，那么质子和中子自己呢？ 它们是由叫做夸克的粒子构成的，夸克的质量比中子或质子的质量小2000到3000倍，那么质子的质量从哪来呢？一般来说，是夸克的势能。那么问题又来了，电子和夸克的质量又是什么呢？ 至少在粒子物理的标准模型中，他们并不是由更小的粒子组成，那么他们的质量又从何而来？难道是来自某种爱因斯坦时代之前提出的，基线能量么？这就是个很微妙的问题了，不过大致来说你可以认为即便是这些能量，也是各种势能的反映，比如，将电子和夸克的相互作用，与希格斯场相联系的势能，另外电子和夸克还有一种势能，来自于他们与自身产生的电场的相互作用，或者对于夸克来说，和他们自己产生的胶子场的相互作用。 那么物质-反物质湮灭又是怎么回事？ 这总该理解为质量转变成能量了吧，有趣的是并非如此。可以用简单的一种能量转换成动能、势能、光等等的方式将这个过程概念化，你永远不需要用到质量转换为能量这样的戏法，也没必要去讨论质量转换为能量，事实上质量根本什么都不是，它就是一种性质，一种所有能量都会体现出来的性质，这种意义上，虽然用质量去衡量物体中含有多少物质是错误的，但你还是可以将它看作是衡量能量多少的指标，所以如果意识不到这一点的话，当你每次用称去称量时，都是在测量这个物体中积累了多少能量。 |
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