我們在日常生活中時常能看見或則親身目睹物體的質量“轉化”為能量的事例,例如木材的燃燒、通過核裂變釋放能量來發電等等,而我們每晚能看見的太陽,其之所以發光發熱,也是因為內部時刻發生著核聚變反應,通過“虧損”的質量產生了源源不斷的能量。并且,反過來,我們卻看不到由能量生成物質的案例,這是為何呢?
質能多項式的提出
要解釋里面的問題,我們還得從質能多項式談起。質能多項式你們再熟悉不過了,它是由愛因斯坦在提出狹義相對論時,所推論下來的一個推論。在狹義相對論誕生曾經,人們對于宇宙狀態的認知,還是將其確定為一個靜態、均勻、沒有邊界的狀態,光線在宇宙中的傳輸速率是無限大。并且在精典熱學的框架下,在不同慣性參照系內,物體的運動速率呈現簡單的疊加關系。
不過,麥克斯韋另辟蹊徑,從電磁學的角度提出了麥克斯韋多項式,從而推導入光速只與真空中的介電常數和磁導率有關系,并且與參考系的選擇沒有關系,這就與精典熱學形成了矛盾。遭到麥克斯韋多項式的啟發,愛因斯坦在牛頓精典熱學的基礎上,提出了兩條基本假定,即相對性原理和光速不變原理,據此產生了狹義相對論體系,將物體的運動與時空進行了統一,覺得物體的運動會直接改變所處的時間和空間。
按照以上兩條假定,通過洛倫茲變換,可以推導入物體在不同慣性參照系下運動,所觀測到的關于時間、空間和質量變化的對應公式,即知名的鐘慢多項式、尺縮多項式和質增多項式。
對于質增多項式來說,其表達式為:m=m0/√(1-v^2/c^2),當物體的運動速率越快,則其運動質量就越大,物體的運動速率趨于于光速時,則物體的運動質量才會無窮大。在此基礎上,愛因斯坦運用動能定律和動量定律,可以進一步推導入物體所具有的能量與本身的質量之間的關系,其表達式為:E=m*c^2-m0*c^2,人們一般將其簡化為E=m*c^2,這就是知名的質能多項式。
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質能多項式的含意
按照簡化后的質能多項式,人們很容易聯想到既然這個方程存在,這么有多少質量就可以轉化為多少能量,有多少能量也可以轉化為多少質量,雖然如此理解是不確切的。質能多項式的本義是將物體所具有的質量和能量進行了統一,質量和能量之間是一種對應關系,都是物質所具有的基本屬性,我們可以用質量來描述一個物體,也可以用能量來描述一個物體,它們的本質是相同的,并不是說是“轉化”的關系。
以木材燃燒為例,假如在一個完全封閉的系統內完成這個燃燒實驗,這么參與反應的物質總質量,與反應后剩余物質和新生成物質的總質量是有微小差別的,“損失”的那部份質量,則以熱量的方式,通過密閉容器與外界環境之間的熱交換而被帶離了這個封閉系統。根據質能多項式,我們可以理解為這部份散失的熱量也就能對應著一定的質量,這個質量將與系統內反應前后“損失”的質量相一致。
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再以質子和中子聚變產生氘為例,在此聚變反應的過程中,所生成的氘與反應前的質子、中子質量相比,也會有一定的質量“損失”,這部份損失的質量,是以光子的方式釋放出去的,同樣遵守著質能守恒定理,結合愛因斯坦質能多項式和光電效應多項式,反應前后的質能變化表達式為:m質*c^2+m中*c^2=m氘*c^2+hv*c^2,其中h為普朗克常量,v為光子的頻度,從中我們可以看出,反應前的質量,將與反應后氘的質量和光子的能量相對應,嚴格意義上來說,質量并沒有巨虧,而是變化的靜止質量全部等效為光子的運動質量了。
假如在上述兩個實驗中,我們擁有著一個可以完全隔絕與外界進行能量交換的實驗系統,以及一個可以精確檢測質量和能量的儀器,這么通過檢測反應前后系統內的總示數,將發覺示數是完全相同的。
能量→質量?
既然物體的質量和能量是一種對應的關系,這么無論是質量和能量質能方程,都將是物體的表現方式,質量可以用能量來表示,能量也可以用質量來表示,只不過我們在現實宇宙中所認知的物體,下意識都是以實體的“質量”來評判的,由于“純能量”的狀態我們無法觀測到,也很難理解而已。
至于能量能夠“轉化”為質量,理論上肯定是可以的,由于兩者都是物體的存在表現方式,并且物體從能量變為質量,必須在極度特殊的環境,只有在特別高的氣溫或則壓力環境下,能量才可以促進產生基本粒子。
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說到這兒,不得不提一下宇宙大爆燃,科學家們按照哈勃觀測到的宇宙膨脹事實,反推出在138億年之前,現有宇宙中的所有物質都來始于一個質量無限大、溫度無限高、體積無限小的奇點,宇宙中沒有任何的物質和空間,在量子漲落效應的作用下質能方程,奇點的對稱性在某一時刻發生了“破缺”,于是就發生了大爆燃,純能量轉化為各類正反粒子,絕大部份的正反粒子又頓時相遇,釋放出能量,這個時侯的氣溫足以達到萬億度級別。
假如正反粒子的數目完全一樣,這么現有的宇宙將不復存在,恰恰就由于這些不對稱的出現,由純能量所形成的正粒子數目要略少于反粒子,導致了宇宙中的反粒子幾乎全部湮沒,宇宙中就剩下了少部份的正粒子,隨即以這種正粒子為基礎,逐步產生了現有多姿多彩的宇宙世界。