质量转化成能量「质量转化为能量爱因斯坦真没这么说过」

经常看到有很多人在讲述氢弹或者原子弹爆炸时这样说：

反应前后，原子核质量减少了，这部分减少的质量转化为能量。

至于你要问为什么？他会说，根据爱因斯坦的质能方程：

那这个说法对还是不对呢？我们直接给出解释：并不对。

如果非要评选一个人类史上最著名的公式，这个质能方程很有可能是第一名，实在太好记了。但如果要评选一个人类史上误会最深的公式，那质能方程应该可以稳居第一名。

今天，我们就来聊一聊：质能方程以及关于质能方程的误解。

这要从1905年说起，这一年被称为爱因斯坦的奇迹年，在这一年爱因斯坦发表了四篇可以被载入史册的论文，其中第三篇《论运动物体的电动力学》就是我们熟悉的狭义相对论。

而在当年的晚些时候，爱因斯坦又发现了一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》作为狭义相对论的补充，在这一篇当中就出现了我们熟悉的质能方程，只不过，当时爱因斯坦表述并不是我们熟悉的样子，而是m=E/c^2 。

那这个公式到底想表达的是什么呢？

这件事就要回溯到牛顿时期了，牛顿写了一本著作《自然哲学的数学原理》，开篇就给“质量”下了一个定义。

物质的量是起源于同一物质密度和大小联合起来的一种度量。

反正不管咋说，牛顿的表述至少让我们明白一点，那就是“质量”和“运动”无关，无论你跑多快，你的质量就在那里，不增也不减。牛顿的看法其实也是20世纪之前，科学界的普遍看法。

除此之外，牛顿还是留下了一个很好的工作方法沿用至今，那就是凡事先下定义。他的《自然哲学的数学原理》前面10多页都在下定义，我们熟悉的很多物理量都是牛顿给下的。所以，后来的科学研究，的第一步都是给研究物下定义。

但是，爱因斯坦就是出了名的爱搞颠覆，其实之前牛顿还认为：

时间和空间和运动状态无关。

说白了就是，无论你跑得有多快，你和站在地面上一动不动的小伙伴，感受到的时间和空间都是一样的。更直白点说，就是对于你和他来说，一米和一秒是一模一样的。这其实也很符合我们的常识。

可爱因斯坦说，这是不对的。因为你还跑得不够快，如果你做一艘飞船快速飞过去，那你和地面上的小伙伴感受到的时间和空间就会不同。我们可以看空间上的不同，下图就是10%光速的情况：

这是80%光速的情况：

而这是95%光速的情况：

这也就是著名的尺缩效应。而时间呢？飞船上的时间相对于地面就有时间膨胀的效应。

无论是尺缩效应还是时间膨胀效应，都是由于惯性参考系的不同导致的，这里就不想详细赘述了。

我们回归正题，实际上，爱因斯坦是统一了“时间”和“空间”。可他后来，逐渐反应过来，他发现其实还能统一“质量”和“能量”。

具体来说是这样的，他通过狭义相对论最基础的两条假设，去推演运动物体的质量m，然后就得出了下面这样一个公式，（如果不想看公式的童鞋，可以直接拉到质能等价那部分，也不会影响到阅读）

质量m叫做相对论质量，它随着速度v的增大而增大。而质量m0，其实就是v=0的时候，也就是静止的时候的质量。这个m0其实就是牛顿定义的质量，它和物体的内部结构有关，我们管这个质量叫做静止质量。

如果我们把速度取0.9945倍光速，那这时候的m≈9.55m0，具体来说就是，如果以0.9945倍光速运动，那这个时候的相对论质量m就会增大到形式的静止时的9.55倍。

所以，我们很容易得出这样的结论：

速度越快，相对论质量越大，要增加物体加速度就越困难。要使物体的速度达到无限接近光速，则质量也会趋近于正无穷，理论上，所需要的能量也就是无穷大，所以才说光速是一切物质运动的极限速度。

在三体中，歌者文明摧毁三体星球时，就提到了一种叫做“质量点”的东西，它是一种极端接近光速的小物体。这其实就是借用到相对论中的质量膨胀来摧毁恒星。

这时候，爱因斯坦就想：

运动时物体质量会增大，而且运动的时候还有动能，质量和动能都会随着速度增大而增大。

于是，爱因斯坦通过动能公式，假设物体是静止的，也就是速度为0，动能为0，m=m0。于是推导出了：E=mc^2。(推导的过程涉及到一点微积分，其实并不复杂）

那质能方程E=mc^2，到底有什么含义呢？

简单来说就是：

E=mc^2只是告诉我们，一个系统能量和质量的等价关系，而不是转换关系式。所以很多人所谓的“质量不守恒，能量不守恒，质能才守恒”的想法是不对的，实际上有多少能量就对应相应的质量，所以质量是守恒的，能量也是守恒的，因此质能才是守恒。

我们可以举个例子：

就还拿很多人喜欢用的核弹带来举例，如果有个特别理想的盒子，一颗原子弹放在里面，并且放在一个足够大的秤上。

如果盒子是完全和外界隔绝的，没有任何能量交换，爆炸之后质量不会发生任何变化，秤原来多大，爆炸之后还多大。

如果盒子不是完全和外界隔绝的，能量可以以光或者热的形式逃逸出去，那这个时候，质量就会减小，秤的示数就会减小。也就是说，逃逸的能量其实带走了它对应的质量。

所以，质量，能量其实都不能被消灭，只能从一个地方转移到另外一个地方。

所以，爱因斯坦想告诉我们并不是“能量和质量能相互转化”，而是“质量和能量其实是同一样的东西，只是以不同的单位进行测量而已，也就是说能量和质量是一体两面的。”

在高能物理领域中，

科学家就发现，

物质的99%的质量来源于束缚夸克的强相互作用输出的能量，通过质能等价E=mc^2，我们可计算出它所表现出的质量。剩余的1%则是来自于粒子和希格斯场的相互作用。

也就是说，物质的质量来源于运动的能量和非实物的场。

关于质量方程，我们就说到这里。

物质可转化为能量，那么能量可以转化为物质吗？

知道爱因斯坦质能方程式E=mc^2的人应该都了解，它告诉我们物质可以转化成为能量，但是爱因斯坦也没说过这个方程式是单方向成立的，也就是说，能量也可以转化为物质。

物质可以转化为能量这就不用我举例了吧，原子弹的爆炸就是基于这一理论。物质可以转化成能量这个对于今天的我们来说并不困难，但是如何才能将能量转化为物质呢？

根据爱因斯坦的质能方程式，能量确实是可以转化为物质的，但是这个在我们的生活在却是很难见到的。

常规的能量是无法被转化成物质的，而只能够在各个物体之间转移和各种能量形式之间进行相互转化。

能量转化为物质的一个最为广泛知道的一个事例就是原子核外电子在跃迁的时候会产生光子。

想让能量转化为物质，就必须在极高的温度下进行。比如在宇宙大爆炸的时候，能量在冷却扩散的时候，就可以转化为物质。我们看到的物质，也正是宇宙大爆炸的时候由能量转化而来的，也就是说我们看到的所有的物质都是由最初的能量转化而来的。

宇宙大爆炸最先产生的化学元素就是氢和氦，后来又通过核反应生成了其它一系列的原子。

想要实现纯能量向物质的转变并不容易，目前人类可以在高能高能粒子加速器中实现这一目的。

例如在大型粒子加速器中，可以让一个获得了足够高能量的电子和光子相撞，这样就可以制造出新的电子和光子，同时还可以制造出一对正反物质粒子。

为什么能量转化成物质这么困难而且能量能够转化成为的物质也很有限呢？我想，宇宙就是从大爆炸诞生的，大爆炸将大量的能量转化成为了物质，才形成了我们今天的宇宙，如果反向进行很容易的话，那岂不是宇宙也很容易回到了纯能量状态，如果真的是这样的话，那么宇宙就不能够稳定存在了。

爱因斯坦质能方程表明了质量可以变成能量 为什么是错的