在調查愛因斯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，一個氫原子的總質素竟比構成它的質子和電子加起來的質素還要輕，這讓人感到困惑。但這個現象確實存在。那麽，為什麽一個整體的質素能小於它部份的總和呢？
E=mc2無疑是物理學的經典公式，而愛因斯坦在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，是因為它揭示了質素的本質。我們常聽到「質素是能量的一種形式」，或者「質素是一種凍結的能量」，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，它們的質素卻並不相等。物體的質素不僅是其組成部份質素的簡單相加，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。愛因斯坦曾經提到，運轉的手表質素要稍微重一些。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質素的一部份。加總這些能量之後再除以光速的平方，便能得出它們對總質素的貢獻。因為光速這個數碼相當龐大，導致額外的質素微乎其微，所以在日常生活中我們常常以為質素就是物體中的「物質多寡」。
盡管在日常體驗中難以察覺這些微小的質素差異，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，其質素也會開始減少。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質素。因此，太陽也可以視作一個巨大的手電筒，它每秒鐘減少約40億千克的質素。
你可能會擔心，太陽的質素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質素只是其總質素的極小部份。不過，這是否意味著太陽將質素「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質素相關，因此，其每秒減少的質素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。盡管手電筒的質素在減小，但整個盒子的總質素依然保持不變。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質素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，造成氫原子的質素比其組成部份的質素少。
實際上，元素周期表上的大多數原子，其總質素也比它們構成部份的質子、中子和電子質素要小。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，使得分子的質素更小。至於質子和中子的質素，它們由極小的誇克構成，而誇克的質素遠輕於質子或中子。這些誇克的質素究竟源自何處？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，而不需要涉及質素的轉化。簡而言之，質素本質上是一種內容，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。
