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质能方程前传
于德浩
2017.2.16
质能方程E=mc^2，我想应该是家喻户晓了，这是20世纪最伟大的科学家爱因斯坦的招牌啊。在北京的过街天桥上，我都能看到“E=mc^2”的字样。质能方程啥意思呢？我估计一般人的理解就是，每个有质量的物体本身都蕴含着很大的能量，一旦有质量损失，那么就有巨大的能量释放出来。比如原子弹爆炸，只要50克质量损失，那么能量就大了去了，足以摧毁一个城市。
上面的理解当然没错，那大家有没有想过，手机爆炸释放的能量，损失了多少微克的质量呢？哈哈，这是一个伪问题。标准答案是，质量损失是0，因为手机爆炸的能量与质量损失无关。
质能转化只会出现在原子核的微观层次及光速或近光速的的运动物体。比如，核辐射、高能粒子对撞、黑洞合并。在人们日常生活的宏观世界，几乎看不到质能转化反应。在通常的物理变化里，有“物质不灭原理”。比如，一根木头锯成两截，那是两根木头；还是木头，总质量不变。在化学变化里，有“质量守恒定律”。比如，碳和氧气点燃生产二氧化碳，虽然物质改变了，但前后总质量还是相等。
从微观层次看，物理变化一般是分子间的变化，化学反应是原子间的重组；它们距离原子核还差一个数量级。普通炸药的爆炸是化学变化，它们的能量是来源于化学能；可以认为是原子核与电子的库伦势能转化而来。
直到19世纪末，科学家发现了天热放射性元素。比如，居里夫妇发现的镭元素，镭会自然衰变为氡，并释放出大量的能量。这在当时是一个伟大的新发现，“物质不灭原理失效了，质量守恒定律也破坏了。”当然，人们当时感兴趣的是释放的巨大能量如何利用，至于质量不守恒，科学家们不是太在乎。因为，质量损失大约仅千分之一，几乎可以忽略不计。所以，核反应方程的写法还是满足质量数守恒。
大约过了七、八年后，在20世纪初，爱因斯坦提出质能方程并预言，核辐射产生的能量应该是反应前后的质量差与光速平方的乘积。核实验物理学家随后测量，发现果真如此，于是质能方程名声大噪。
狭义相对论及质能方程的应用条件一般是高速运动的物体，这里的高速是指接近光速30万公里每秒，而宏观世界中最快物体的速度大约是1公里每秒，比如子弹的出膛速度。所以，质能方程在人们的日常生活中根本就无用武之地。但是，在高能物理实验及粒子物理理论中，狭义相对论及质能方程就是最基本的东西，而且时时刻刻都在应用。这就如同，学习任何知识都得知道1+1=2一样。
人们热衷于研究能量转化及能量的传递，这会方便人们的生活。比如，水流的势能转化为动能，再转化为发电机的电能。而质量一般就没法相互传递，比如一个质量为M的大球去撞击一个质量为m的小球，大球静止，大球的动能和动量会传递给小球，但俩球的质量都不变。在质量不变时，引入爱因斯坦的静能量E=mc ^2是没有意义的。这只是在牛顿的动能守恒方程两边添加了两个不变项，正好可以相互抵消。
质能方程，就是说在一定条件下，质量和能量会相互转化，这还会引起人们对哲学的思考。提及质量，人们就会想到“实体”，只有实体才能有质量，比如一块砖头。而能量呢，往往是“虚体”，看不见摸不着，但能感受到，比如太阳光。在质能方程以前，人们以为质量和能量是互不相干的。
而在质能方程提出以后，实体和虚体就没那么泾渭分明了。于是，爱因斯坦提出了光的波粒二象性。你可以把光看成是一种“虚体”的电磁波，比如光谱学。而你也可以把光看成是一种实体粒子，以光速运动的光子，比如光电效应。后面德布罗意提出物质波概念，高速运动的实体电子也可以看成是一种虚体的能量波。随后，实验证实并发现了电子的衍射现象。
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