爱因斯坦的质能方程E=MC²,很多人都听过说,公式中的M代表着质量,但那只是表面,很多人并不知道,里面还蕴藏着更深刻的宇宙奥秘。
先从微观世界说起。
我们都知道,一个氢原子包含一个质子和一个电子,按道理讲,氢原子的质量应该等于质子和电子的质量总和,但事实并非如此,氢原子的质量要比质子和电子质量综合小,为何会这样呢?
这里就必须重新解读爱因斯坦的质能方程E=MC²。我们经常听到这种说法:质量是能量的一种表现形式,或者说质量是被束缚的能量,质量可以转换成能量等等。其实这些说法都不是很严谨。
质量应该包含两个方面,第一物体的组成结构,第二,物体的内部的运动方式。
举个简单的例子,有两个完全一样的闹钟,除了一点:一个闹钟坏掉了,指针不走动了。另一个闹钟是好的,指针正常走动。这两个闹钟的质量一样大吗?
并不一样,指针走动的闹钟质量会大一些。为什么?
因为闹钟的指针在转动,具有动能,同时由于摩擦会产生热能,还有紧紧的弹簧也会产生势能,这些能量也是闹钟质量的一部分,用E=MC²可以计算出来对整个闹钟质量的贡献。
不过由于光速是在太大了,能量除以光速的平方,得到的质量太小了,可以忽略不计,我们也很难测量到这种微小的差异。
我们平时所说的质量指的是静止状态下的质量,也就是静质量。只不过我们通常不会说“静质量”,而是用质量代替!而公式中E=MC²的M就是指的静质量。
再举个通俗的例子,每当你打开手电筒,它的质量就开始变小,现在你应该知道为什么了吧?
因为光就是一种能量,这些能量是储存在电池里,以化学能的形式存在。当转变为光能释放出去之后,手电筒内部的能量就减少了,自然质量也会变小。
回到文章开头提出的问题:氢原子的质量为什么比质子和电子的质量总和要小呢?
简单说,因为质子和电子的势能是负的。如何理解这句话?
来个思想实验,电子和质子相距无限远时的势能为零,由于两者相互吸引,必然相互靠近,势能当然也会变小,所以电子质子之间的势能是负的。
虽然电子围绕质子运行过程中也有动能,但计算结果显示,势能更大,动能和势能综合起来还是负的,根据公式E=MC²,M当然也是负的,所以氢原子的质量要比质子和电子的质量总和小一些!
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