班门弄斧,聊聊物理学——质量到底是什么?

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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?



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