在調查愛因史坦著名的質能方程式E=mc2時,有一些耐人尋味的細節值得關註。這裏的「M」蘊藏著深刻的謎團。舉個例子,一個氫原子的總品質竟比構成它的質子和電子加起來的品質還要輕,這讓人感到困惑。但這個現象確實存在。那麽,為什麽一個整體的品質能小於它部份的總和呢?
E=mc2無疑是物理學的經典公式,而愛因史坦在1905年的論文中實際上介紹的是它的倒數形式,M等於E除以C2。這個公式之所以如此重要,是因為它揭示了品質的本質。我們常聽到「品質是能量的一種形式」,或者「品質是一種凍結的能量」,但事實上,這些說法並不全面。讓我給大家舉個日常生活中常見的例子,幫助理解M=E/C2的內涵。
想象兩個成分完全相同的物體,它們的品質卻並不相等。物體的品質不僅是其組成部份品質的簡單相加,而是取決於兩個關鍵資訊:組成部份的組織結構,以及這些部份在物體內部的運動方式。比如,設想有兩塊完全一樣的高級發條手表,一塊正在運轉,而另一塊則靜止不動。愛因史坦曾經提到,運轉的手表品質要稍微重一些。這是為什麽呢?因為運動中的指標和齒輪擁有動能,發條的緊張狀態則儲存了勢能,而運轉部份的摩擦還會產生熱量,進一步啟用原子的活動。換句話說,熱能在微觀層面上也算作動能。
M=E/C2表明,手表內部所有的動能、勢能和熱能都是推動其品質的一部份。加總這些能量之後再除以光速的平方,便能得出它們對總品質的貢獻。因為光速這個數位相當龐大,導致額外的品質微乎其微,所以在日常生活中我們常常以為品質就是物體中的「物質多寡」。
盡管在日常體驗中難以察覺這些微小的品質差異,事實上,它們是確實存在的,甚至在精準測量中可被察覺。再想象一個情景,當你開啟手電筒的時候,其品質也會開始減少。為什麽呢?因為光攜帶能量,這些能量最初在電池中儲存,屬於手電筒的一部份,而當這些能量以光的形式釋放時,就不再屬於手電筒的品質。因此,太陽也可以視作一個巨大的手電筒,它每秒鐘減少約40億千克的品質。
你可能會擔心,太陽的品質減少會影響地球的執行。這種想法不用過於擔憂,因為太陽每秒減少的品質只是其總品質的極小部份。不過,這是否意味著太陽將品質「轉化」為了能量呢?並不是,太陽發出的光其實是構成其物質的粒子動能與勢能消費的結果。光的出現之前,太陽中某部份的能量依然與其品質相關,因此,其每秒減少的品質實際上只是粒子動能和勢能的下降。
我們再設想一個更具體的場景,設想在一個全鏡面的密閉盒子裏,用天平稱量一只手電筒。當我們開啟手電筒時,天平的讀數會不會改變?其實,答案是不會。盡管手電筒的品質在減小,但整個盒子的總品質依然保持不變。電池中電化學能的減少會與盒子裏新增的光能相抵消,所以天平的讀數不會變。
回到氫原子的例子,為什麽一個氫原子的品質會比構成它的質子和電子的總質更輕呢?這主要是因為勢能有可能是負值。當質子和電子距離無限遠時,它們的勢能為零。隨著它們互相靠近,電勢能降低,仿佛你在地球表面越近,受到的重力吸引越大,重力勢能也隨之降低。在氫原子中,電子與質子之間的負電勢能大於其旋轉動能,從而使得M的值為負,造成氫原子的品質比其組成部份的品質少。
實際上,元素周期表上的大多數原子,其總品質也比它們構成部份的質子、中子和電子品質要小。此外,分子一旦形成化學鍵,原子的動能與勢能之和也往往變為負值,使得分子的品質更小。至於質子和中子的品質,它們由極小的誇克構成,而誇克的品質遠輕於質子或中子。這些誇克的品質究竟源自何處?主要來自於「誇克勢能」。
最後,我們在討論這個問題時,質能相互轉化的觀點其實並不必要。這一過程可以被視作種純粹的能量形態改變,而不需要涉及品質的轉化。簡而言之,品質本質上是一種內容,是物體內部各種能量的體現。所以下次你稱體重時,其實你是在測量自己總能量的一部份,只不過你或許還未察覺。