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本文主要闡述：能量和質(zhì)量并非只是簡(jiǎn)單的等價(jià)以及可以互換，其中還蘊(yùn)含了關(guān)于質(zhì)量的更基本性的事實(shí)。

在描述宇宙的所有方程式中，最著名且最深刻的也許就是方程式E =mc2了。一百多年前，愛(ài)因斯坦首次發(fā)現(xiàn)了這個(gè)方程，它教會(huì)了我們很多重要的東西：可以將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧兡芰?，比如說(shuō)核裂變、核聚變或者物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅，可以利用純能量來(lái)產(chǎn)生粒子（或者反粒子）。

更為有趣的是，任何有質(zhì)量的物體，無(wú)論怎么冷卻它、讓它減速或者將它與其他物質(zhì)相隔離，都不會(huì)丟失其固有的能量。但是這些能量是從何而來(lái)的呢？這就是我們不解的地方。

我的問(wèn)題是，在方程 E = mc2 中，“m” 中的能量來(lái)自哪里？

讓我們從最小的尺度開(kāi)始探索它的來(lái)源。

混合物和基本粒子的大小，在已知粒子中可能存在更小的粒子。隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的出現(xiàn)，我們現(xiàn)在可以將夸克和電子的最小尺寸限制為10 ^ -19米，但我們?nèi)圆恢朗欠裼懈〉慕Y(jié)構(gòu)以及他們的形狀是怎樣的，是否為有限小或者是由其他粒子組合而成的。（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）

我們要做的第一件事是理解方程E =mc2，這意味著分別討論其方程的每個(gè)項(xiàng)。

• E 代表能量：表示所研究的粒子（或一組粒子）包含的總能量。

• m 代表質(zhì)量：表示粒子的總靜止質(zhì)量，其中“靜止質(zhì)量”是指靜止且未通過(guò)任何已知力（引力，核力或電磁力）與任何其他粒子作用的粒子的質(zhì)量。

• c2 是光速的平方：在這種情況下，其代表一個(gè)轉(zhuǎn)換因子，告訴我們?nèi)绾螌①|(zhì)量（以千克為單位）轉(zhuǎn)換為能量（以焦耳為單位）。

我們可以從核反應(yīng)中獲取大量能量的直接原因就在于方程 E =mc2。

埃尼威托克環(huán)礁（位于西太平洋）上的核武器測(cè)試Mike（產(chǎn)量為10.4 Mt）。該測(cè)試是常春藤行動(dòng)的一部分。Mike是有史以來(lái)測(cè)試的第一枚氫彈，其釋放的能量相當(dāng)于將大約500克物質(zhì)轉(zhuǎn)化為純能量：如此少的物質(zhì)發(fā)生了驚人的大爆炸。涉及裂變或聚變的核反應(yīng)（或像Mike這樣的測(cè)試）都可能產(chǎn)生非常危險(xiǎn)的長(zhǎng)期放射性廢物。（NNATIONAL NUCLEAR SECURITY ADMINISTRATION / NEVADA SITE OFFICE）

即使僅將一千克的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量，由于 c2 [即（299,792,458 m / s）2]的度量，我們也將獲得相當(dāng)于 2150 萬(wàn)噸TNT（烈性炸藥）的能量。這就解釋了為什么太陽(yáng)會(huì)輸出這么多的能量、為什么核反應(yīng)堆如此高效、為什么受控核聚變的實(shí)現(xiàn)是能源的“圣杯”， 以及為什么核彈如此強(qiáng)大又如此危險(xiǎn)。

但是E =mc2 更讓人興奮的一個(gè)方面是，這意味著存在著一種能量形式，無(wú)論你對(duì)它做什么都無(wú)法將其從粒子中剝奪。只要這個(gè)粒子存在，這種能量形式就會(huì)一直存在。這個(gè)方程令無(wú)數(shù)人人為之著迷，其中最為有趣的一點(diǎn)可能就是其他的能量都能夠去除，而這個(gè)形式的能量卻不能。

宇宙中基本粒子的靜止質(zhì)量決定了它們?cè)谑裁磿r(shí)候以及在什么條件下可以被創(chuàng)建，并描述了它們將如何在廣義相對(duì)論中彎曲時(shí)空。粒子，場(chǎng)和時(shí)空的屬性都是描述我們生活的宇宙所必需的。（來(lái)自UNIVERSE-REVIEW.CA）

比如說(shuō)，運(yùn)動(dòng)中的粒子具有動(dòng)能：動(dòng)能是與其在空間中運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量。當(dāng)快速移動(dòng)的大型物體與另一個(gè)物體相撞時(shí)，無(wú)論碰撞如何發(fā)生，碰撞都會(huì)為其賦予能量和動(dòng)量。這種形式的能量存在于粒子的靜止質(zhì)量能之外，它是粒子運(yùn)動(dòng)固有的能量形式。

但這是一種可以在不改變粒子本身性質(zhì)的情況下將其去除的能量形式。只需使自己加速，達(dá)到與正在觀看的粒子相同的精確速度（幅度和方向）移動(dòng)，就可降低該粒子的總能量，最后降低到其最小值。但是，即使除去其所有動(dòng)能，其靜止質(zhì)量能（由 E =mc2 定義的部分）也將保持不變。

行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的精確模型，其中太陽(yáng)以不同的運(yùn)動(dòng)方向穿過(guò)星系。請(qǐng)注意，這些行星都在同一個(gè)平面上，并沒(méi)有在太陽(yáng)后面拖動(dòng)或形成任何類型的尾跡。如果我們相對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，它似乎有很多動(dòng)能。但是，如果我們以與太陽(yáng)相同的速度朝同一方向運(yùn)動(dòng)，它的動(dòng)能就會(huì)降到零。（RHYS TAYLOR）

你可能會(huì)認(rèn)為，這意味著你可以消除任何系統(tǒng)除靜止質(zhì)量能量以外的所有形式的能量。你可以想到的所有其他形式的能量-勢(shì)能，束縛能，化學(xué)能等-都是與靜止質(zhì)量分開(kāi)的，這是事實(shí)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些能量形式可以被消去，僅留下裸露的，靜止的，孤立的粒子。那時(shí)，它們唯一擁有的能量就是靜止質(zhì)量能量：E =mc2。

所以，靜止質(zhì)量（E = mc2中的 m ）從何而來(lái)？你可能會(huì)不假思索地說(shuō)“希格斯粒子”——這只對(duì)了一部分?；氐接钪嬖缙?，在大爆炸后不到1秒，統(tǒng)一電磁力和弱核力的電弱對(duì)稱性被恢復(fù)，表現(xiàn)為一個(gè)單一的力。當(dāng)宇宙膨脹和充分冷卻時(shí)，這種對(duì)稱性就被打破了，這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子所帶來(lái)的影響是巨大的。

恢復(fù)對(duì)稱性后（黃色球，頂部），所有物體都是對(duì)稱的，并且沒(méi)有優(yōu)選狀態(tài)。當(dāng)對(duì)稱性在較低的能量下被破壞時(shí)（藍(lán)色球，底部），所有方向的自由度不再相同。在電弱對(duì)稱破壞的情況下，這會(huì)導(dǎo)致希格斯場(chǎng)耦合到標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子，從而使它們具有質(zhì)量。（PHYS.TODAY 66，12，28（2013））

首先，許多粒子（包括所有夸克和帶電輕子）獲得了非零的靜止質(zhì)量。由于這些能量量子中的每一個(gè)都與無(wú)處不在的希格斯量子場(chǎng)耦合，因此許多粒子獲得了非零的靜止質(zhì)量。這是粒子的“m”這部分能量來(lái)自何處的部分答案：與基本量子場(chǎng)的耦合而來(lái)。

但實(shí)際情況并不總那么簡(jiǎn)單。如果以電子的質(zhì)量為基礎(chǔ)，并嘗試根據(jù)電子與希格斯的耦合來(lái)解釋其來(lái)源，結(jié)果毫無(wú)疑問(wèn)是對(duì)的：希格斯對(duì)電子質(zhì)量的貢獻(xiàn)恰恰就是電子的質(zhì)量。但是，如果嘗試以此來(lái)解釋質(zhì)子的質(zhì)量，則并加上其組分夸克和膠子的靜止質(zhì)量，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。實(shí)際上，這行不通：你不會(huì)得到938 MeV /c2 的實(shí)際值，而只會(huì)得到其中的?1％。

該圖顯示了標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)構(gòu)。特別是，此圖描述了標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子（包括其名稱，質(zhì)量，自旋，慣性，電荷以及與規(guī)范玻色子的相互作用：即具有強(qiáng)弱電勢(shì)）。它還描繪了希格斯玻色子的作用以及電弱對(duì)稱性破壞的結(jié)構(gòu)，指示了希格斯真空期望值如何破壞電弱對(duì)稱性，以及其他粒子的性質(zhì)會(huì)因此的改變。(LATHAM BOYLE AND MARDUS OF WIKIMEDIA COMMONS)

由于質(zhì)子（以及其他相關(guān)原子核）都是由夸克和膠子構(gòu)成的，而且它們構(gòu)成了宇宙中大部分的常見(jiàn)（已知）物質(zhì)的質(zhì)量，因此必須有另外的能量貢獻(xiàn)者。就質(zhì)子而言，主要的因素是強(qiáng)大的核力。與引力和電磁力不同，基于量子色動(dòng)力學(xué)和夸克和膠子的“色”特性的強(qiáng)核力，隨著兩個(gè)夸克距離的增加變得更強(qiáng)。

原子核中的每個(gè)核子由三個(gè)夸克組成，每個(gè)核子通過(guò)膠子連接在一起，膠子在夸克之間交換——這是一種隨著距離增加變得更強(qiáng)的一種類似彈簧的力。盡管質(zhì)子是由點(diǎn)狀粒子構(gòu)成的，但其尺寸是有限的，這是因?yàn)樵摿Φ膹?qiáng)度以及原子核內(nèi)部粒子的電荷的耦合。 

由于存在“色電荷”和膠子交換而產(chǎn)生的強(qiáng)大力，所以原子核可以聚集在一起。膠子必須由色/反色組合組成，以使強(qiáng)大的力發(fā)揮其必須的作用。（WIKIMEDIA）

如果夸克能夠以某種方式釋放出來(lái)，那么宇宙中的大部分質(zhì)量都能被轉(zhuǎn)換為能量；E =mc2 是可逆的反應(yīng)。在超高能量下，例如在非常早期的宇宙中，或在諸如相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）或大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中，已經(jīng)達(dá)到了這些條件，從而形成了夸克膠子等離子體。但是，一旦溫度，能量和密度降到足夠低的值，這些夸克就會(huì)重新受到約束，這就是大多數(shù)常見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。

換句話說(shuō)，擁有三個(gè)自由夸克（即使希格斯給了它們非零的靜止質(zhì)量）在能量上遠(yuǎn)不如使那些將夸克束縛在一起形成質(zhì)子和中子等的復(fù)合粒子（優(yōu)先）。宇宙中已知質(zhì)量（m）的大部分能量（E）來(lái)自強(qiáng)力，以及由控制“帶色“粒子的量子規(guī)則所引入的結(jié)合能。

質(zhì)子的三個(gè)價(jià)夸克對(duì)其自旋有貢獻(xiàn)，但是膠子，海夸克和反夸克以及軌道角動(dòng)量也有貢獻(xiàn)。靜電排斥和惹人注意的強(qiáng)大核力共同決定了質(zhì)子的大小，并且需要夸克混合的性質(zhì)來(lái)解釋我們宇宙中的自由粒子和復(fù)合粒子。不同形式的結(jié)合能加上夸克的靜質(zhì)量，才給出了質(zhì)子和所有原子核的質(zhì)量。（APS / ALAN STONEBRAKER）

我們很久以前學(xué)到知識(shí)仍然是正確的：能量總是可以從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。但這需要代價(jià)的：要將足夠的能量泵入系統(tǒng)以消除這種額外形式的能量的成本。對(duì)于前面的動(dòng)能示例，這意味著提高你的速度（作為觀察者）或提高粒子的速度（相對(duì)于你這個(gè)觀察者）直到匹配為止，這兩者都需要輸入能量。

對(duì)于其他形式的能量，它可能更復(fù)雜。中性原子的質(zhì)量比電離的原子小約0.0001%，因?yàn)殡娮优c原子核的電磁結(jié)合產(chǎn)生了約為10 eV的能量。由于空間位置變化而產(chǎn)生的重力勢(shì)能，也起著一定的作用。即使是地球，作為一個(gè)整體，其質(zhì)量也比構(gòu)成它的原子少了約0.00000004%，因?yàn)槲覀兪澜绲囊?shì)能高達(dá)10²³焦耳。

在一個(gè)空的，三維的網(wǎng)格，放上一個(gè)會(huì)導(dǎo)致原本是“直線”的東西變成曲線的“質(zhì)量“。地球引力引起的空間曲率是引力勢(shì)能的一種表現(xiàn)形式，對(duì)于像我們星球這樣巨大而緊湊的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引力勢(shì)能是巨大的。(CHRISTOPHER VITALE OF NETWORKOLOGIES AND THE PRATT INSTITUTE)

當(dāng)談到愛(ài)因斯坦最著名的方程式 E =mc2 時(shí)，我們知道，所有具有質(zhì)量的事物都有其固有的基本能量，而且無(wú)法以任何方式消除。只有徹底破壞物體——通過(guò)使其與反物質(zhì)碰撞（導(dǎo)致能量釋放）或向其中注入足夠的能量（僅對(duì)于復(fù)合粒子，其基本成分保持完整），我們才能將該質(zhì)量轉(zhuǎn)換回某種形式的能量。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子，希格斯場(chǎng)及其與每個(gè)粒子的耦合提供了構(gòu)成質(zhì)量m的能量。但是，對(duì)于宇宙中大多數(shù)質(zhì)子、中子和其他原子核的質(zhì)量而言，大部分質(zhì)量m來(lái)自于強(qiáng)力產(chǎn)生的束縛能。其他的諸如暗物質(zhì)，還沒(méi)有人知道其質(zhì)量來(lái)源，可能是希格斯場(chǎng)、某種形式的結(jié)合能，或其他完全新穎的東西。但是，無(wú)論原因是什么，（這個(gè)來(lái)源）都為這種看不見(jiàn)的物質(zhì)提供了能量。E =mc2 也必將保持為有效。