班门弄斧，聊聊物理学——质量到底是什么？

题图：Cheva用AI创作

今天不聊时事，不聊经济，聊点科学。聊一聊物质的本源——质量到底是怎么一回事，当然我也是看了一些科普视频和作品总结的，我不是专业的科学工作者，里面也有一些自己的想法，谈不上有多准确，但尽量吧。

我们的宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸，现在人们通过天文观测，比如星系的旋转，宇宙的膨胀速度计算出，在宇宙中大概有70%的能量，是驱动宇宙膨胀的暗能量。还有20%的质量是将巨大的星系聚在一起的暗物质。这两个“暗”字其实就是说明我们什么都不知道。尽管这一两百年来人类的科学有了巨大的飞跃，但是我们所知道，所了解的，也就是我们日常所见的普通物质在这个浩瀚的宇宙中，只占5%的分量。我们的宇宙中这5%的普通物质所具有的特点，就是它们参与电磁作用，并且具有质量。而暗物质呢？它们也具有质量，这样它们才能用引力把巨大的星系凝聚在一起，但是它们又不参与电磁作用。所以我们现有的探测手段，就很难发现它们。而暗能量，则是让空间膨胀，让物体彼此远离的能量，某种意义上来说可以认为是反质量，因为拥有正质量的物体，会通过万有引力彼此吸引。

那么质量到底是什么？普通人会认为质量就是重量，就是我们在称上面称出来的一个数字。我们生活中的称上实际测量的是物体所受到的重力，是因为地球是个接近完美的球体，每个地方的重力加速度都是几乎相同的，根据牛顿第二定律，我们所受到的重力，就是每个人的质量乘上地球表面的重力加速度，所以也可以等效为质量。那么质量到底是什么？其实爱因斯坦的狭义相对论，已经给出了接近完美的回答，也就是那个著名的方程——E等于mc的平方，对于这个方程一般的科普会说质量和能量，可以相互转化，其实，这个方程，一般人会，一般的科普会说质量和能量，可以相互转化，还会煞有介事地说，原子弹就是因为在发生裂变反应的时候，发生了质量亏损，一部分质量转化成了能量，产生了巨大的威力。这么说，其实是不够准确的，按这个说法，那质量和能量，两种不同的事物，只是它们中间存在转换的关系。而这个方程的本意，其实是在说，质量和能量是同一事物，不同的表现方式而已。质量就是能量。不过能量不一定就是质量，什么样的能量才能表现为质量呢？

事实上，只有被束缚住的能量，才表现为质量。举个例子，用一根弹簧连接起两个方块，然后我们挤压弹簧，这个时候，弹簧受到挤压，发生弹性形变，就产生了弹性势能。它倾向于把两个方块推开，这时我们将两个方块放进一个，很小的盒子里面，让两个方块不能移动，这样的弹性势能就不能得到释放了。这个时候，这部分弹性势能就转化成了质量。也就是说如果我们有一个极端精确的称进行称重的话，将两个方块和弹簧看成一个整体，在弹簧松弛状态下称重，在弹簧松弛状态下称重，和压紧状态下称重，质量是不一样的。弹簧被压紧时质量会大一点点。根据E等于mc平方的方程，这个增加的质量就等于，弹簧的弹性势能除以光速的平方。我们知道光速是一个很大的数字，每秒30万公里，所以这个增加的质量是，非常非常微不足道的。

插图：Cheva用AI创作

实际上我们日常生活中所利用的能量，都是来自于质量的转换，并不是只有核能才来自于质量，只是核能的质量亏损要略微明显一点而已。比如我们燃烧燃料获得的能量，就是让分子之间的化学键断裂释放出能量，这个化学键可以理解为连接原子之间的弹簧。

到目前为止，我们解决的质量是什么这个问题吗，严格来说我们只是把问题转化了一下，现在喜欢思考的人也就会继续追问，既然质量就是能量那能量又是什么呢?