无论是一千克金银,还是一千克垃圾,甚至是一千克狗屎,其中所蕴含的能量都是一样的,都是相当于250亿度电!如果能够释放出来,价值都相当于100亿人民币左右。是的,你没有听错,这是爱因斯坦的「质能方程」公式明确告诉我们的科学理论,已经被实践证实。
我们一般都知道物质的 质量 是物体所含物质的多少 ,是物体的一种基本物理属性。但 质量的本质是什么?一直是人类的未解之谜。直到1905年,爱因斯坦发现了「质能方程」,让人们在认识「质量之谜」的道路上前进了一大步。
质能方程的公式很简单: E=mc² ,公式中 只有3个符合E、m、c,其中的E 是能量,m 是质量,c 是光速(约等于 299,792,458 米/秒)。这个方程将能量E与质量m直接挂钩,其中光速c是一个恒定的常数。公式揭示了质量与能量相互转化的简单数量关系。告诉我们,质量越大蕴含的能量越大,任何物质都含有与其质量成固定比例的潜在能量,可以说:「 质量是能量的固化 」,「质量是没有释放的能量」,「质量是处于锁定状态的能量」。
根据质能方程,现在我们可以很容易的计算出1千克物质相当于249.65 亿度电的能量。所以,任何1千克的物质所蕴含的能量都是巨大的,约等于 250 亿度电。之所以换算成电量,只是为了方便大家记忆和理解。但是,这个只是理论计算,以人类目前的科技水平,还远达不到让质量完全转化为能量。
例如,广岛原子弹使用了约64千克的铀-235,但只有一小部分(约1千克)实际参与了裂变反应,能量的释放来自于核裂变反应中大约0.6至0.7克的质量亏损,也即是0.6至0.7克的物质转化为能量。这部分物质在裂变过程中释放出了巨大的能量,造成了广岛市的巨大破坏。
现在,我们人类掌握的效能最高的质能转换技术就是核聚变, 氢弹就是利用了核聚变 的原理, 质量转化为能量的比率约0.7%,也就是1千克物质之中有7克转化成了能量。
另外,目前科学家已经发现「反物质」,并且已能够在实验室里"制造"出反物质,如 反原子 等.但因某些原因还是未能制造大量反物质。 正反物质相遇会产生爆炸而湮灭。 就是反物质遇到正物质就会一下子化为乌有,这些质量化为乌有的一瞬间,转化为巨大能量,这种以光和热爆发出来的能量总量,严格遵循爱因斯坦质能方程。这种「湮灭反应」释放的能量,是迄今为止已知物质质量转化为能量最大最完美释放,也就是质能转换率达到100%,世界上没有任何物质或技术制造出来的能量可以与正反物质相互湮灭相比。
对「质量之谜」的继续探索:
人们耳熟能详的所谓质量,似乎是一个很简单的概念,其实不然。现在科学家们仍然在孜孜不倦的研究「质量之谜」,或者说探索质量的来源。
质量是物体所具有的一种物理属性,最初定义为物体含有物质的多少,它不随物体的形状、状态和位置的改变而改变。质量分为惯性质量和 引力质量, 自然界中的任何物质既有惯性质量又有引力质量。
「惯性」是人们日常生活中能感受到的一种存在。有的物体惯性大,改变其运动状态(比如从静止到运动,或者从低速运动到高速运动,或者相反)比较难。有的物体惯性小,改变其运动状态比较容易。如何量化物体惯性的大小呢?这不是一件容易的事情,直到300多年前,牛顿写下这个公式( 牛顿第二定律) : F=ma ,意思是, 在物体上加一个力 F ,测量物体的加速度 a ,力与加速度的比值不变,这个比值叫做惯性质量 m 。 该公式表明物体在相同作用力的情况下,其加速度与物体的质量成反比。
牛顿第二定律,使我们对 质量有了更进一步的理解,即质量是物体对力的抵抗能力的度量,是描述物体惯性的重要物理量。 质量越大的物体具有越大的惯性, 质量 是对物体 惯性 大小的量度。换句话说就是「质量就是对力的抵抗」。但这种「抵抗能力」是如何产生的? 或者说物质为何有惯性?物质产生惯性的原因在哪里? 这正是吸引科学家们研究的「质量之谜」。
众所周知,我们身边的万事万物都是由原子构成的。而原子则是由原子核与电子构成。可是这两者在整个原子空间中所占的比例却极少。若把整个原子比作一个操场,那原子核就相当于操场中央的一个蚂蚁。电子呢?仅是按一定随机概率出现在操场上的微尘,在操场上再无其他东西了,原子内绝大部分空间都是空的。
原子中的原子核要远重于电子,我们可以认为原子的质量基本上就是原子核的质量,而原子核又主要是由质子和中子构成的。所以,如果不考虑暗物质的话,可以说 质子和中子集中了宇宙里绝大多数可见物质的质量 。
原子核由质子和中子组成,现在知道组成质子、中子的更基本粒子是夸克。到此我们自然会认为,物质的质量应该都是来源于夸克了。但奇怪的是,研究表明,夸克的总质量竟只占质子、中子质量的1%,那原子核另外99%的质量从何而来?答案就是把这些夸克束缚在 质子和中子之中,互相聚集在 一起的 「 强力」 能量。由此可知,核武器之所以亏损极小的质量,就能释放出惊天动地的巨大能量,来源就在于此。
但是新问题来了:为什么还有这1%的质量呢,难道不应该是零吗?
组成万物最为关键的,那「1%的质量」究竟是怎样产生的?夸克、电子、中微子、介子等等这些基本粒子的质量究竟是怎么来的?
「希格斯玻色子」的发现又让人们在攻克「质量之谜」的道路上前进了一步。著名理论物理学家彼得·希格斯在1964年提出了希格斯玻色子,及希格斯场理论,解决了万物的质量从何而来的疑问。希格斯机制中,我们的宇宙空间中充满了希格斯粒子所产生的希格斯场,各种基本粒子在穿过希格斯场的时候,会受到它的阻滞作用,进而表现出质量。夸克受到的阻滞作用较强,所以夸克获得的质量就较大。而电子受到的阻挡较小,所以其表现出来的质量也很小。光子不受希格斯场的阻滞,所以它不具有静止质量。
2013 年3月14日,在希格斯理论提出的半个世纪里,通过科学家不懈地努力,欧洲核子研究组织,终于确认在大型强子对撞机里发现了这种赐予万物质量的「上帝粒子」!彼得·希格斯也因此荣获2013年的诺贝尔物理学奖。
但质量的谜团还远没有结束,目前科学界普遍认为,整个宇宙中,我们可见的普通物质仅占宇宙「总质量和能量」的约5%,其余约95%的「质量和能量」是神秘的暗物质与暗能量,人类今后能揭开它们的神秘面纱吗?