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质能方程:能量质量相互转化?

在知乎上经常的会看到这样的说法:

根据爱因斯坦的质能方程,能量可以转化成质量,质量可以湮灭成能量

尤其是没有系统学习过相对论的人以及一些民科,而且对这样的说法坚信不疑。今天我就来详细说一些所谓的“质能方程”以及能量质量的关系。

在开始之前先说明基本观点:上面的说法是错误的!

1、相对论中的质量和能量

关于相对论的详细推导此处就不啰嗦了,直接从相对论的质量能量动量关系出发:

,

此处的

是物体静质量,也就是在相对物体静止的参考系中测得的质量。静质量是一个有着良好定义的物理量,它是一个标量,不随着参考系的变化而变化,而随着参考系的变化而变化的是所谓的“动质量”:

equation?tex=m%3D%5Cfrac%7Bm 0%7D%7B%5Csqrt%7B1 v%5E2+%2Fc%5E2%7D%7D

,

再考虑动量的定义:

,带入到第一个式子中就可以得到:

,

当当当!就是所谓的“质能公式”了。但是这个式子说明了什么呢?说明了有多少质量就有多少能量吗?但是这里的质量是所谓的“动质量”,并不是静质量。很多人认为的“有多少质量就有多少能量”中的质量是静质量,但是这里的质量是“动质量”,根本就不是一回事。所以这个式子本身并没有告诉我们“质量和能量会相互转化”,实际上只说明了动质量和能量的关系,而实际上根据这个式子,可以粗暴的理解为“动质量就是能量”。而所谓的“质能公式”改成“质量能量关系公式”会显得更明确一点。后文中的质量都表示的是静质量。

2、基本概念解析

我们再回到“能量和质量相互转化”这句话上。这句话本身就是病句,能量和质量都是物质的属性,属性是依附于物质的,是物质拥有质量和能量,像所谓的“质量转化成纯能量”这种说法,我只能说

NOT EVEN WRONG

并不存在所谓的“纯能量”这种说法,最接近这个意思的应该就是光子,其实只不过是没有静质量而已。

一切讨论还是要从相对论中的质量能量关系出发:

,

从这个式子中我们能得到什么呢?能量和质量、动量都是物质的属性,能量由两部分组成,动量提供的能量和静质量提供的能量,换句话说就是能量通过质量和动量来表现出来。而能量守恒和动量守恒是所有的物理过程都要遵守的定律,但是质量并不守恒。说到这,一切就比较明朗了,各种各样的反应变化中,变化的只是能量的表现形式而已。举例来说:

  • 核反应,上面说了,能量是依附于物质的,核反应的本质是一部分能量的表现形式从静质量变成动量,这种转化的结果就是反应后的粒子动量特别大,速度特别快,破坏力巨大而已。
  • “正反物质湮灭成纯能量”,比如说正负电子,而实际上就是变成一对光子而已,光子没有静质量,如果初始时的正负电子是静止的,那这个就是能量的表现形式由静质量全部转化为动量而已。
  • 与上一个相反的过程,“纯能量转化为质量”,比如一对高能光子在特定条件下生成正负电子对,那就是能量的表现形式由动量转化为静质量(如果末态电子对有动量,那就是部分转化)。

我们对照着式子这么去分析,一切都非常的简单明了,没有任何的科幻成分,概念明确,物理过程清晰。

3、物理名词的定义

仔细分析一下就可以发现,本文一开始的说法中的误区来自于缺乏对能量质量等这些概念定义的明确认知。实际上这样的物理量在物理学中都有着明确严格而良好的定义,任何对于这些量的讨论都默认了是在这种定义范围内的。而如果对这些定义没有明确的认识,再加上一些科幻作品的刺激,就很容易出现这样的误区。

当讨论物理时,所提到的一切物理名词都要给出严格而良好的定义,任何不给出定义(或者不良定义)就开始针对这个名词进行讨论的行为都是耍流氓。当然了,在很多的科幻作品中这完全不是事,但是把这些名词拿到物理学中来讨论就很容易变成民科。给出良好的定义相当于大家在讨论同一个事物。诚然,你可以说“质量转化为纯能量”在你自己的定义下是正确的,但是这样的讨论时没有意义的,因为虽然我们都在说质量和能量,但是其实并不是一件事情。

根据我个人的经验,最常见的一种情况就是讨论一个事物的“本质”。这地方我为什么把本质打引号呢?因为看似我们都知道“本质”这个词的意思,但是当放在物理学中讨论时,我们是否已经默认了这个词有一个良好的定义呢?或者只局限与这次讨论的定义呢?我想是没有的,至少在我遇到的很多情况中,大家并没有给出一个很好的对“本质”的定义。

写这篇文章的初衷是在知乎看到太多的“质量能量转化”这样的说法,几句话又无法详细说明,遂作此篇,希望能有所帮助。

(标题图片来源于网络)


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