质量守恒定律和质能转换之间为什么不矛盾?

质量守恒定律和质能转换之间为什么不矛盾?

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我在

里解释了这个问题,也参见

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质能方程究竟说的是什么呢?它说的是,任何质量m必定对应mc2的能量,任何能量E也必定对应E/c2的质量。由于光速c是个常数,我们可以理解为:质量和能量是同一个东西的两种表示方法,或者说压根就是同一个东西。具体一点说,一个质量为m的物体,比如说一块铁,一个光子,或者一个人,无论它是静止的还是在运动中,只要它有这个质量m,就有相应的能量mc2。反过来,一个能量为E的物体,比如说一块铁,一个光子,或者一个人,无论它是静止的还是在运动中,只要它有这个能量E,就有相应的质量E/c2。当物体的能量发生变化时,质量必然相应变化。反之,当物体的质量发生变化时,能量也必然相应变化。

这话可能让人迷糊了。我时常处于静止中,咋没觉得自己身上有这么大的能量呢?回答是:能量的绝对值是无法测量的,可测量的是相对值。你的质量乘以c2得到的能量,指的是把你转换成无质量的虚空所放出的能量。没错,破碎虚空!实际现在还没办法把一个人变成虚空,所以这超级巨大的能量根本放不出去。你平时走路、跑步、刷微博所消耗的能量,确实会反映为你的质量的变化,但这点变化实在太小了,观测不到。

另一个问题是,光子的质量不是零吗?这里的关键是要搞清,质量分为静质量和动质量。静质量是物体在静止状态下的质量,动质量是物体在运动状态下的质量。静止的物体运动起来,动能增加了,就会增加相应的质量,所以动质量总是大于静质量。我们平常说光子的质量为零,指的是静质量为零。但由于光子在以光速运动,具有能量,所以它的动质量并不为零。而像铁块或者人这样的物质,在静止状态下质量就不为零,在运动状态下质量也会变化。在日常生活中,这点质量变化小得无法观测。但如果速度非常高,跟光速可以比较,那质量变化就会显著了。

现在我们可以回答一个令许多人迷惑的问题:有能量守恒定律,也有质量守恒定律,那么这两个定律究竟是什么关系?是等价的?还是一个是精确的,另一个是近似的?实际上,能量守恒定律是一个完全精确的定律,或者说物理学家愿意为了捍卫它战斗到最后一滴血。每当发现能量似乎不守恒的实验结果,物理学家的第一反应就是某些能量被遗漏了,然后拼命去找,绝不会不做抵抗就放弃能量守恒定律,而到目前为止他们每次也都能找到。质量守恒定律就有点微妙了。根据质能关系,质量跟能量只是差一个常数比例而已,那么能量守恒当然就等价于质量守恒。在这个意义上,质量守恒定律也是一个完全精确的定律。但要注意,这里说的是动质量,静质量可没有理由守恒。然而我们平时说的质量守恒定律,指的却是静质量,例如说化学反应前后质量不变,证据就是拿天平称一称,反应物和生成物的质量确实相等。这就出问题了。实际应该是,反应物和生成物的静质量不相等!双方的静质量差,就对应于反应中的能量变化,即化学能。如果反应放出能量,生成物的质量就小于反应物。如果反应吸收能量,生成物的质量就大于反应物。那位说了,道尔顿和化学工程师用了这么多年的质量守恒定律,怎么没出毛病?回答也很简单,质量变化太小,测不出来。跟静质量中蕴含的巨大能量相比,化学能实在是too young too simple,微不足道。所以日常用的(静)质量守恒定律仍然是一个相当准确的定律,但要注意,它的准确程度就比能量守恒定律低一级了,因为它依赖于能量变化远小于静质量对应的能量这个条件,本质上是近似的。