物理

你知道E=mc²,那是先有物质还是先有能量?

张双南 发表于  2017-07-06 11:20

图片来源:123RF

根据爱因斯坦的E=mc²,是不是所有物质其实都具有巨大的能量?

是的,只不过其背后的道理非常深刻!

爱因斯坦的E=mc²是狭义相对论的结果,不管物体是运动的还是静止的都成立:对于静止的物体,m就是物体的固有质量或者静止质量,所以必然具有巨大的能量,而运动的物体的质量随速度增加,因此能量也增加(相当于增加了动能)。由于光子的速度是光速,所以光子不可能具有静止质量,而静止质量不为零的物体或者粒子的速度也不可能达到光速,速度趋近于光速时其能量趋近于无穷大。

那么E=mc²是否正确呢?正确!因为大量的实验已经精确地验证了这个公式,比如小到实验室中的核裂变和核聚变反应都测量到了质量减少所产生的能量和E=mc²完全一致,而原子弹、氢弹、核电站都是对E=mc²的验证。反过来,实验室中也经常可以观察到m=E/c² ,也就是能量向物质的转化,比如伽马射线光子产生正负电子对以及其它的正反物质对,真空涨落也不断通过能量的变化产生正反物质对。因此E=mc²已经得到了全面和大量的验证。

但是有一个问题非常重要:是先有物质还是先有能量?

从宇宙的尺度上,很显然是先有能量再有物质,因为大爆炸开始的时候并没有我们现在的物质,甚至连组成我们的原子的电子、质子和中子都没有,这些都是大爆炸之后由能量根据m=E/c²变过来的,所以能量比质量更加基本。

但是事情其实比上面解释的更加有趣!我们知道,质子和中子并不是基本粒子,其内部是夸克和胶子。胶子没有质量,夸克有质量,但是如果把其内部的夸克的质量都加起来,你立刻发现这远远不够质子和中子的质量。质子和中子的质量是哪里来的?答案是能量!

由于质子的体积非常小,夸克和胶子要想在被困在这么小的体积里面,根据海森堡不确定性原理,它们就得具有很大的动量,因此就必须具有很大的能量。把这些能量加起来然后按照m=E/c²计算,就得到了质子和中子的质量!质子和中子的质量主要来自于其内部的夸克和胶子的能量!

但是夸克毕竟是有质量的,夸克的质量来自于哪里?实际上,这个问题对所有具有质量的基本粒子(包括电子)都不是一个简单的问题,因为最基本的粒子物理模型里面所有粒子的质量都是零。后来物理学家们就提出来有一种特殊的场(希格斯场,其存在已经被实验所证实),本来质量为零的基本粒子和这个场作用获得了质量,最终还是能量转化成了质量!

事实上,爱因斯坦最早的表述就是m=E/c²

他想说的就是质量的来源是能量,只不过被后人逐渐写成了E=mc²!爱因斯坦的深刻洞察力的确是远超同时代的人!今天我们利用E=mc²把物质变成能量,不过是自然造出物质的逆过程而已,并没有什么奇怪的。

如前所述,E=mc²是狭义相对论的结果,但是却能够适用于所有尺度、所有作用力、所有粒子,没有发现任何的违背和偏离,因此是完全没缺陷。而其它所有已知的科学规律都有适用的范围,所以E=mc²又是极为不常见的。因此按照本人的美学理论(请上网搜索“张双南美学”),E=mc²就是最美的科学公式!(编辑:晓岚)
 

热门评论

  • 2017-07-06 12:20 samlinlin
    引用@5美金 的话:多少度电可以转化出一个女朋友呢。

    假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2 /3.6E6 =1.25E12 千瓦时,就是1.25万亿度电。

    用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    [85] 评论
  • 2017-07-06 11:43 5美金

    多少度电可以转化出一个女朋友呢。

    [37] 评论
  • 2017-07-06 12:31 samlinlin
    引用@samlinlin 的话:假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2 /3.6E6 =1.25E12 千瓦时,就是1.25万亿度电。用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    另外,全球总装机容量大约60亿千瓦,只要说服全球停电八天多就可以搞定一个。

    [31] 评论

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全部评论(53)
  • 1楼
    2017-07-06 11:29 在雨夜

    能用能量创造物质吗?

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-07-06 11:43 5美金

    多少度电可以转化出一个女朋友呢。

    [37] 评论
  • 3楼
    2017-07-06 12:20 samlinlin
    引用@5美金 的话:多少度电可以转化出一个女朋友呢。

    假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2 /3.6E6 =1.25E12 千瓦时,就是1.25万亿度电。

    用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    [85] 评论
  • 4楼
    2017-07-06 12:29 观星的诸葛

    这篇文章虽然短却很明确介绍了一个东西啊,喜欢这样的文章呀。

    [7] 评论
  • 5楼
    2017-07-06 12:31 samlinlin
    引用@samlinlin 的话:假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2 /3.6E6 =1.25E12 千瓦时,就是1.25万亿度电。用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    另外,全球总装机容量大约60亿千瓦,只要说服全球停电八天多就可以搞定一个。

    [31] 评论
  • 6楼
    2017-07-06 12:43 5美金
    引用@samlinlin 的话:假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2 /3.6E6 =1.25E12 千瓦时,就是1.25万亿度电。用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    马云都得单身!

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-07-06 13:14 operabug
    引用@在雨夜 的话:能用能量创造物质吗?

    好像可以,量子力学说,如果有足够的能量移走介子里的一个夸克,那么会凭空出现一个新的夸克

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-07-06 14:06 天降龙虾

    光子的静止质量貌似实际上不是零啊。。。。

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  • 9楼
    2017-07-06 15:20 UG608F7-2

    能量创造了物质,那又是谁创造了能量呢?细思恐极……

    [1] 评论
  • 10楼
    2017-07-06 15:23 姜Zn

    好多感叹号!但是言简意赅!受教了!

    [1] 评论
  • 11楼
    2017-07-06 16:16 qufuliao
    引用@operabug 的话:好像可以,量子力学说,如果有足够的能量移走介子里的一个夸克,那么会凭空出现一个新的夸克

    狄拉克之海?不过那是电子吧……

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-07-06 16:22 喜欢新玩意儿_28941

    是不是应该先给“固有质量”、“静止质量”以及“运动质量(或者叫做什么什么质量?)”进行清晰准确地物理定义之后再来说“是先有物质还是先有能量”呀?



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  • 13楼
    2017-07-06 18:18 可心树懒

    从物质能量的角度来看是永恒存在而变化的。美学在于永恒变化。也就是绝对运动,相对静止的。

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  • 14楼
    2017-07-06 18:44 虚数学生

    请不要传播白学的氛围

    来自山寨果壳.wp
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  • 15楼
    2017-07-07 11:06 大头米少

    不得不说连我都能看明白,那是得解释得有多好啊!于是我也决定自认最美的物理学方程就是

    E=mc²

    [1] 评论
  • 16楼
    2017-07-07 19:03 46562002
    引用@国产零零七 的话:貌似那个时代的科学家,吸烟的比例还是比较高的?新时代的科学家,吸烟的比例应该没有这么高了

    曾经一段时间,吸烟叫时尚!

    当代,吸烟被道德帝们认为,是对地球他妈不负责…

    个别以道德帝自居的伪科学人士,自然也不吸烟!

    BUT,不少科研人员人家吸大麻…

    [1] 评论
  • 17楼
    2017-07-09 18:40 刘公子是小布尔乔亚
    引用@UG608F7-2 的话: 能量创造了物质,那又是谁创造了能量呢?细思恐极……

    起初,神创造天地……

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  • 18楼
    2017-07-09 22:07 qiukc

    光之子?

    [0] 评论
  • 19楼
    2017-07-10 09:03 Uuo_R
    引用@samlinlin 的话:假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2 /3.6E6 =1.25E12 千瓦时,就是1.25万亿度电。 用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    用女盆友发电看桑去更靠谱,嗯

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-07-10 11:54 之坚持坚持vi
    引用@samlinlin 的话: 假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2/3.6E6=1.25E12千瓦时,就是1.25万亿度电。用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    生物学克隆一个,省时省力

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  • 21楼
    2017-07-10 12:26 简尚风拾

    话说全球电网再网的总电量有多重啊?!文章太专业了没有看明白的说,不是说能量没有质量吗,那么处于平衡态的 能量不管速度多高最终结果也不会产生质量吧?或者说这些原子的构件内部庞大的始终以光速运动的处于平衡态的混沌的能量使这些构件产生了多出来的那一部分质量?有人能解释一下吗,比如一个球质量是A,如果内部有总处于平衡态的运动那么质量就会增加到A'的原理?

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  • 22楼
    2017-07-10 12:53 mark_w

    最后一段看得让人有点担忧,果然:

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/21299409

    物理自有物理的知识体系,但审美是人的感受,所以不宜给“最美”下定论。

    [1] 评论
  • 23楼
    2017-07-10 13:19 天天在等
    引用@samlinlin 的话:另外,全球总装机容量大约60亿千瓦,只要说服全球停电八天多就可以搞定一个。

    光中国就有3000万光棍,这样搞起来,一年只能弄出来不到五十个女朋友,怎么办啊。怪不得要建设核电站呢,原来是为了多快好省的制造女朋友啊。

    [1] 评论
  • 24楼
    2017-07-10 13:29 梦想未知

    物理学突然转到美学,步子迈得有点大吧。

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  • 25楼
    2017-07-10 13:56 叶迎风

    质和能只是我们认知的一个阶段的概念,它们之间的区别就好比电和磁的区别一样,到最后发现它们是同一个东西。现在我们在有些场合仍然把它们区别对待,更多是出于表述上的方便。

    由于c是一个常数,如果采用让c=1的单位,那么E=m,妥妥的,不需要加以区别。所以所谓的质量,或者更具体的说到静质量,只是能量一种形式而已,也就是说能量是更普遍的概念,静质量只是其中的特例,是能量以诸如结合能这样的形式存储于物质当中特例。更一般的以量子力学的观点看,能量是Hamiltonian算符本征值,不同的能量代表着不同的量子态,这里就不存在动的或者是静的区别。也正是因为如此,不存在所谓质量和能量的互相转化,只有能量不同形式之间的转化。

    [7] 评论
  • 26楼
    2017-07-10 15:50 驭龙氏
    引用@5美金 的话:多少度电可以转化出一个女朋友呢。

    你投个几个亿美金,然后我们在公海开发克隆人技术,然后再把你的克隆一下,克隆的时候早期发育阶段抑制一下SRY基因表达就行了

    这样你就可以获得一个基因组和你基本一致的雌性对应体

    至于人家愿不愿意做你女友,我们就不知道了

    另外想让其快速发育成为成体,消耗能量可参考“用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。”

    不过相关技术研发并不包含在最初的几亿美金经费里

    [0] 评论
  • 27楼
    2017-07-10 16:00 葬爱、林黛玉
    引用@samlinlin 的话: 假设女朋友重50kg,50x(3E8)^2/3.6E6=1.25E12千瓦时,就是1.25万亿度电。用一个100万千瓦的核电站,需要1.25E6小时,大约140多年就转化完毕啦。

    我转身就拿300斤的女朋友去分解,造福地球人类数十年

    好吧,其实是,双手造福人类

    [1] 评论
  • 28楼
    2017-07-10 19:39 未风
    引用@葬爱、林黛玉 的话:我转身就拿300斤的女朋友去分解,造福地球人类数十年好吧,其实是,双手造福人类

    你那三百斤只够人类用大半个月的。

    [1] 评论
  • 29楼
    2017-07-10 19:54 希格斯希尔伯特
    引用@叶迎风 的话:质和能只是我们认知的一个阶段的概念,它们之间的区别就好比电和磁的区别一样,到最后发现它们是同一个东西。现在我们在有些场合仍然把它们区别对待,更多是出于表述上的方便。由于c是一个常数,如果采用让c=1的...

    你错了 c是带量纲的,E和m的量纲不一样,区分两个物理量的方法是看量纲

    [0] 评论
  • 30楼
    2017-07-10 21:28 叶迎风
    引用@希格斯希尔伯特 的话:你错了 c是带量纲的,E和m的量纲不一样,区分两个物理量的方法是看量纲

    中学老师应该也没这么教的吧?我想你应该去查一下什么叫自然单位,再想想量纲到底是个什么东西,然后再回来审视你的高论。

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张双南
张双南 中国科学院高能物理研究所研究员。

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