EMC中M是质量吗?那只是表面,很多人不知道M的深层含义!
爱因斯坦的质能方程E=MC²,几乎无人不知无人不晓,方程非常美,也非常简洁。它告诉了我们质量与能量之间的关系。
质能方程中E代表能量,M代表质量,很多人都是这样认为的。我想说的是,那只是表面,M确实是质量,但里面隐藏着更深层的东西,绝不是质量那么简单。
下面来详细解读一下质能方程中能量与质量的深层关系。
我们都知道,氢原子由质子和电子组成,氢原子的质量就应该等于质子与电子的质量总和。但其实并不是。一个氢原子的质量要小于质子与电子的质量总和。
为何会这样呢?一个物体的质量不就应该等于组成这个物体各个部分的质量总和吗?
这里就涉及到对质量方程的深刻理解了。很多人认为质量是能量的一种形式,或者说质量和能量可以相互转换,其实这些观点并不太严谨,只是我们的通俗说法而已。
即使两个物体由完全相同的成分组成,两者的质量也可能是不一样的。物体的质量取决于两方面:组成物体成分的排列方式,还有这些成分的运动方式。
举个现实的例子就更好理解了。有两个一模一样的闹钟,其中一个闹钟指针不动,另一个制动正常走动,按照质能方程的诠释,指针走动的闹钟质量会更大。
因为闹钟的指针在运动,就具有动能,里面绷紧的弹簧还有势能,同时走动过程中也会因为摩擦产生热能。
按照质能方程E=MC²,以上所有能量的总和也是闹钟质量的一部分。只不过因为光速实在太大了,这些能量除以光速的平方之后实在太小了,完全可以忽略不计,在日常生活中,我们根本察觉不到如此微小的差异,也不会对我们的生活有任何影响。
但我们需要明白的是,所谓的"质量就是物体中物质的多少"这种观点是错误的,上面的例子就是很好的证明。
再举个例子。一个手电筒,只要你打开它让手电筒照明,手电筒的质量就会变小。你知道为什么吗?
很简单,因为手电筒发出的光就是能量,这些能量一直储存在手电筒的电池里,打开之后转化为光能了。发出的光携带着能量飞走了,也就相当于质量"飞走"了。
而我们的太阳其实就相当于巨大的"手电筒",它时刻在发光,这也让太阳的质量每秒减少400万吨的质量。不过我们并不用担心这个,这点质量对于太阳来讲就是"毛毛雨",只有太阳质量的10的21次方分之一。
那么,每秒失去的400万吨质量,算不算质量转化成能量了呢?
并不是那样的。因为太阳发射的能量消耗的是太阳内部微观粒子的动能和势能,也就是说,这400万吨质量只是微观粒子动能和势能减少的部分。
日常生活中,我们对一个物体称重,实际上测量的是物体中微观粒子的能量,但我们根本察觉不到这一点。
你可能还不太明白,明明测量的是质量,怎么就是能量了呢?
再举个例子。把一个手电筒放在绝对密封的盒子里,打开手电筒,盒子的质量会变吗?
并不会。刚才说了,手电筒打开之后,手电筒本身的质量确实减少了,但减少的能量并没有离开盒子,所以盒子作为一个整体,质量并不会改变。
现在回过头来看看文章开头的问题,氢原子的质量为何比组成它的电子和质子的质量更小呢?
简单说,因为势能可以是负的。电子和质子相距无穷远的时候,势能为零。当两者不断靠近时,势能自然就会变小,这与我们往地面下落的过程中重力势能会变小是一回事。
也就是说,电子与质子的势能其实是负的。而电子在原子核外围旋转具有了动能,不过势能的负数更大,所以总能量仍旧是负的。
把质能公式E=MC²拿出来,能量是负的,质量自然也是负的,因此氢原子的质量要小于质子和电子的质量总和。
事实上。不仅仅是氢原子,所有原子都具有这个特点。
不过问题并没有结束,质子和中子的质量又是哪里来的呢?质子和中子都是由三个夸克组成的,但三个夸克的质量总和要比质子中子的质量小几千倍,为何会这样?
夸克之间有通过胶子进行传递的强相互作用,这种相互作用束缚着夸克,产生了束缚能,这种能量非常强大,也能体现出质量。
那么夸克本身的质量又是哪里来的?简单说,是通过夸克与希格斯场的相互作用产生的,希格斯场在宇宙中无处不在。夸克通过与希格斯场的相互作用会形成势能。
说白了,质量根本不是一种东西,只是一个属性罢了,是物体能量的外在表现形式,能量才是最根本的东西,质量只是能量的体现!
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