暢游科學(xué)海洋，共尋宇宙之妙，大家好，我是南城~
今天我們來(lái)聊一聊一個(gè)經(jīng)典的物理學(xué)公式——E =mc2。
在我們用來(lái)描述宇宙的所有方程式中，也許最著名的方程式E = mc2也是最深刻的。
它是愛(ài)因斯坦于100多年前首次發(fā)現(xiàn)的，它教會(huì)了我們?cè)S多重要的事情。我們可以將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為純能量，例如通過(guò)核裂變，核聚變或物質(zhì)反物質(zhì)湮滅來(lái)完成。我們可以?xún)H憑純粹的能量來(lái)制造粒子（和反粒子）。而且，最有趣的是，它告訴我們，任何有質(zhì)量的物體，無(wú)論其溫度有多低，速度有多慢或是被隔離開(kāi)，都始終具有一定的內(nèi)在能量，我們將永遠(yuǎn)無(wú)法擺脫它。
但是這種能量從何而來(lái)呢？這就是Rene Berger想知道的，他問(wèn)：
我的問(wèn)題是，在方程E = mc2中，“ m ” 中的能量從何而來(lái)？
讓我們以最小的尺度潛入內(nèi)部物質(zhì)以進(jìn)行發(fā)現(xiàn)。
我們需要做的第一件事是了解方程 E = mc2，這意味著分解其中的每個(gè)項(xiàng)。
E代表能量：我們正在考慮的粒子（或一組粒子）中包含的總能量。
m代表質(zhì)量：我們正在考慮的粒子的總靜止質(zhì)量，其中“靜止質(zhì)量”是指未運(yùn)動(dòng)且未通過(guò)任何已知力（包括核力或電磁力）與任何其他粒子綁定的粒子的質(zhì)量。
? 2是光平方的速度：只是一個(gè)換算系數(shù)，它告訴我們質(zhì)量和能源的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
我們可以從核反應(yīng)中獲取大量能量的原因直接來(lái)自于該方程 E = mc2。
即使我們僅僅將1kg的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化成成能量， 但是因?yàn)? 2足夠大，我們也將會(huì)得到等同21.5兆噸的TNT引爆而產(chǎn)生的能量。
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夢(mèng)想是能源的“圣杯”？以及為什么核彈如此強(qiáng)大又如此危險(xiǎn)？
E = MC 2這個(gè)公式也昭示了存在一種能量形式——質(zhì)量，無(wú)論您對(duì)一個(gè)物體動(dòng)用什么外部手段，都無(wú)法將其帶走。只要質(zhì)量仍然存在，這種能量形式就會(huì)一直存在。為什么這個(gè)值得強(qiáng)調(diào)呢，因?yàn)樗衅渌问降哪芰慷伎梢酝ㄟ^(guò)外部手段去除。
例如，運(yùn)動(dòng)中的粒子具有動(dòng)能：與它的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量。當(dāng)快速移動(dòng)的巨大物體與另一個(gè)物體碰撞時(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。這種形式的能量是粒子運(yùn)動(dòng)固有的能量形式。
但這種能量形式，可以在不改變粒子本身性質(zhì)的情況下將其除去。只需令正在觀(guān)察的粒子速度減小，即可降低該粒子的總能量，但只能降低到一個(gè)最小的值。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。
當(dāng)然，您可能會(huì)認(rèn)為這意味著您可以針對(duì)任何系統(tǒng)，消除其除質(zhì)量能量以外的所有形式的能量。（您可以想到的所有其他形式的能量有這些：勢(shì)能，結(jié)合能，化學(xué)能等）。
這是事實(shí)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些能量形式可以被帶走，僅留下裸露的，靜止的，孤立的顆粒。這時(shí)候，它們會(huì)有的唯一能量就是它們的靜止質(zhì)量能量：E = MC 2。
那么，物質(zhì)的質(zhì)量所蘊(yùn)含的能量從何而來(lái)？
您可能很快就會(huì)回答“希格斯場(chǎng)【1】”。這算部分正確吧，在宇宙大爆炸后不到一秒鐘的時(shí)間里，就恢復(fù)了將電磁力與弱核力統(tǒng)一在一起的電弱對(duì)稱(chēng)性，表現(xiàn)為一種單一的力。當(dāng)宇宙膨脹并充分冷卻時(shí)，這種對(duì)稱(chēng)性就破裂了，標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子也遭受了巨大的影響。
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)都耦合【2】到遍布宇宙的希格斯場(chǎng)，因此許多粒子現(xiàn)在都還具有非零的靜止質(zhì)量。這是對(duì)這些粒子本身質(zhì)量中的能量來(lái)自何處的一部分答案 ：從它們與希格斯場(chǎng)（基本量子場(chǎng)）的耦合。
但事情并不總是那么簡(jiǎn)單。如果您考慮電子的質(zhì)量并嘗試根據(jù)電子與希格斯場(chǎng)的耦合來(lái)解釋它，那么您100％會(huì)成功：因?yàn)橄８袼箤?duì)電子質(zhì)量的貢獻(xiàn)恰好提供了電子的質(zhì)量。
但是，如果您試圖以此來(lái)解釋質(zhì)子的質(zhì)量，通過(guò)將構(gòu)成其的余量夸克和膠子相加起來(lái)，好像就會(huì)得出結(jié)論，但實(shí)際上，您不會(huì)得到938 MeV /c2的實(shí)際值。
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，并且構(gòu)成了宇宙中正常（已知）物質(zhì)的大部分，因此必須有另一個(gè)貢獻(xiàn)者來(lái)貢獻(xiàn)質(zhì)量包含的另一部分能量。就質(zhì)子而言，貢獻(xiàn)者主要是強(qiáng)大的核力。與重力和電磁力不同，兩個(gè)夸克距離越遠(yuǎn)，強(qiáng)量子核力（基于量子色動(dòng)力學(xué)【3】和夸克和膠子的“顏色”特性【4】）就會(huì)越強(qiáng)。
每個(gè)質(zhì)子由三個(gè)夸克（兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克）組成，原子核中的每個(gè)核子通過(guò)在這些夸克之間交換的膠子保持在一起：這是一種像彈簧一樣的力，隨著夸克距離的增加，它會(huì)變得更強(qiáng)。盡管質(zhì)子是由點(diǎn)狀粒子構(gòu)成的，但質(zhì)子仍具有有限的大小，這是因?yàn)樵摿Φ膹?qiáng)度以及原子核內(nèi)部粒子的電荷和耦合。
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)量都將被轉(zhuǎn)換回能量： 也就是說(shuō)，E = MC 2是可逆反應(yīng)。
在超高能量下，例如在非常早期的宇宙中，或在諸如RHIC或LHC的重離子對(duì)撞機(jī)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)正常物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。
換句話(huà)說(shuō)，擁有三個(gè)自由夸克，即使希格斯場(chǎng)給予它們非零的靜止質(zhì)量，在能量上也遠(yuǎn)不如將那些夸克束縛在一起形成質(zhì)子和中子等復(fù)合粒子多。我們宇宙中已知質(zhì)量（m）的大部分能量（E）來(lái)自強(qiáng)大的約束力。
所以，我們以前學(xué)的仍然是正確的：能量總是可以從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。但這是有代價(jià)的：將足夠的能量泵入系統(tǒng)作為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，這意味著提高您的速度（作為觀(guān)察者）或減小粒子的速度（相對(duì)于您，觀(guān)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)量比離子化原子小約0.0001％，這是因?yàn)殡娮优c原子核的電磁鍵合釋放出約10 eV的能量。由質(zhì)量引起的空間變形產(chǎn)生的引力勢(shì)能也起作用。甚至整個(gè)地球，其質(zhì)量也比組成它的原子少約0.00000004％，因?yàn)槲覀兪澜绲闹亓?shì)能總計(jì)達(dá)2×10的32次方J。
E = mc2 告訴我們，質(zhì)量是一切物體都具有的固有的基本能量，無(wú)法以任何方式將其消除。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)于宇宙中占大多數(shù)已知質(zhì)量的粒子，如質(zhì)子，中子和其他原子核而言，強(qiáng)大的力產(chǎn)生的結(jié)合能使我們獲得了大部分質(zhì)量 m。
對(duì)于暗物質(zhì)呢？尚無(wú)人知道，但可能是希格斯場(chǎng)、某種形式的結(jié)合能之一或其他完全新穎的東西。但是，無(wú)論原因是什么，都為這種看不見(jiàn)的物質(zhì)提供了能量。 E = mc2 也一定會(huì)保持正確。
部分名詞解釋?zhuān)?/span>
【1】以物理學(xué)家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍布于全宇宙的量子場(chǎng)。詳細(xì)解釋?zhuān)篽ttps://baike.baidu.com/item/%E5%B8%8C%E6%A0%BC%E6%96%AF%E5%9C%BA/9267664?fr=aladdin
【2】指能量從一個(gè)介質(zhì)（例如一個(gè)金屬線(xiàn)、光導(dǎo)纖維）傳播到另一種介質(zhì)的過(guò)程。詳細(xì)解釋?zhuān)篽ttps://baike.baidu.com/item/%E8%80%A6%E5%90%88/2821124?fr=aladdin
【3】詳細(xì)解釋?zhuān)篽ttps://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%89%B2%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E5%AD%A6/2723360
【4】詳細(xì)解釋?zhuān)?/span>
https://baike.baidu.com/item/%E8%89%B2%E8%8D%B7/2717117?fr=aladdin
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