深度長文：解讀E=MC平方，M代表質(zhì)量嗎？還隱藏著更深的奧秘！

愛因斯坦的質(zhì)能方程公式E=MC平方，相信大家都知道，公式簡潔明了，讓我們第一次明白了能量與質(zhì)量之間原來存在這種關系。以前大家都認為能量與質(zhì)量毫不相干，而智能方程讓我們明白能量與質(zhì)量可以相互轉換，兩者可以理解為一個東西的兩種表現(xiàn)形式。

單從公式來看，公式E=MC平方中的E指的是能量，M代表質(zhì)量，而C代表光速。對于普通吃瓜群眾來講，其實了解這么多也差不多了。但如果你想深入了解，會發(fā)現(xiàn)M不僅僅代表質(zhì)量那么簡單，還隱藏著更深層的奧秘。

E=MC平方公式，很多人認為能量與質(zhì)量是等價的，質(zhì)量是能量的另一種表現(xiàn)形式。其實嚴格來講，這種觀點并不太嚴謹，不過普通人那樣通俗理解也沒有錯，畢竟普通人對科學的理解還是要兼顧通俗，不能過多地強調(diào)專業(yè)和嚴謹。

但是作為科普工作者來講，通俗的要講，嚴謹性也要讓大家知道。今天就和大家一起來了解質(zhì)能公式E=MC平方更深層的含義。

首先我們從組成萬事萬物的原子開始說起。

拿氫原子來講，氫原子最簡單，由一個質(zhì)子和一個電子構成，那么，氫原子的質(zhì)量就應該等于一個質(zhì)子的質(zhì)量加上一個電子的質(zhì)量。這很好理解。

但事實上并非如此，真實的情況是，氫原子的質(zhì)量要小于一個質(zhì)子與一個電子的質(zhì)量總和！

是不是覺得不可思議？為什么會出現(xiàn)這種看似矛盾的現(xiàn)象呢？

簡單來講，一個物體的質(zhì)量其實包含兩個方面：組成物體的結構質(zhì)量，比如說組成氫原子的質(zhì)子和電子，還有就是該物體運動過程中產(chǎn)生的質(zhì)量！

如何理解“物體的運動產(chǎn)生質(zhì)量”呢？舉個例子就明白了。

假設有兩輛一模一樣的汽車，一輛靜止在地面上，另一輛在大街上行駛，兩輛汽車的質(zhì)量是一樣的嗎？

并不一樣，在大街上行駛的那輛小汽車質(zhì)量會更大。為什么？

原因很簡單，因為汽車在運動，就意味著發(fā)動機一直在啟動的狀態(tài)，汽車內(nèi)部的很多齒輪都在轉動，在這個過程中一定會產(chǎn)生熱能。而從微觀層面理解，產(chǎn)生的熱能會讓組成汽車的基本粒子的運動更劇烈，擁有更大的動能。

而不管是熱能還是動能，都是能量。而質(zhì)能方程E=MC平方也可以表達為：M=E除以光速平方，把以上所有的熱能和動能加在一起，除以光速的平方，就可以換算成質(zhì)量。當然還有狹義相對論中速度引起的質(zhì)增效應，也會讓運動物體的質(zhì)量增加。

而運動起來的小汽車，比靜止不動的小汽車多出來的質(zhì)量，就是上面所講的質(zhì)量。所以，行駛中的小汽車質(zhì)量會更大。只不過由于光速實在太大了，平方之后更大，需要很多的能量才能轉換為一點點質(zhì)量，因為日常生活中，我們完全感受不到運動讓物體增加的質(zhì)量。

因此，通常情況下，質(zhì)能公式中的M都會被默認為靜質(zhì)量，也就是靜止狀態(tài)下的質(zhì)量，我們平時說質(zhì)量的時候，也沒有必要刻意強調(diào)是靜質(zhì)量。比如你稱體重時，顯然不會說自己的靜質(zhì)量是多少多少，只會說是質(zhì)量。

不過我們需要明白一點，運動物體的質(zhì)量確實比靜止物體的質(zhì)量更大。

當然還有更多更通俗的例子，比如說很多人小時候都用過手電筒。但你或許并不知道，你或許還不知道，在打開手電筒時，手電筒的質(zhì)量就會變小一些，當然變小的幅度非常有限，你當然感覺不到。

至于說質(zhì)量變小的原因，或許你已經(jīng)知道了。就是因為手電筒發(fā)射出光線，光線是一種能量，這些能量是由儲存在電池里的化學能轉換來的。其實不用管怎么來的，既然手電筒向外輻射能量，意味著能量減少，而質(zhì)能方程告訴我們，能量也可以表現(xiàn)為質(zhì)量，因此手電筒的質(zhì)量當然會減少。

說了這么多，還得回到開頭的問題：氫原子質(zhì)量為什么會小于質(zhì)子加上電子的質(zhì)量呢？

因為質(zhì)子和電子分別帶正電和負電，兩者之間具有勢能。通常我們認為當質(zhì)子與電子相距無窮遠時的勢能為零。于是，當兩者之間的距離不斷縮小，在相互靠近的過程中，勢能自然會變小，也就是說，勢能會變成負數(shù)。

雖然電子的運動會產(chǎn)生動能，但綜合起來仍舊是負的，也就是說電子的勢能絕對值比動能更大。

再根據(jù)質(zhì)能方程E等于MC平方，能量是負的，質(zhì)量當然也是負的。也就是說，氫原子質(zhì)量應該等于三項之和：質(zhì)子的質(zhì)量，電子的質(zhì)量，還有就是負勢能產(chǎn)生的負質(zhì)量。

結果當然很明了：氫原子質(zhì)量肯定比質(zhì)子與電子的質(zhì)量總和要小。問題完美解決。

當然，還有更深奧的問題：電子和質(zhì)子的質(zhì)量是哪里來的呢？

這就牽扯到希格斯機制了，一個更為復雜的物理學機制，之前的科普文也詳細講述過，這里就一筆帶過了。

簡單講就是，電子，夸克等基本粒子的質(zhì)量，是通過希格斯場獲取的。通俗理解就是，電子等基本粒子會與希格斯場發(fā)生相互作用，在這個過程中希格斯場中希格斯粒子會讓電子等基本粒子發(fā)生減速，在減速的過程中獲得了質(zhì)量。當然，也可以換一種理解方式，電子等基本粒子在與希格斯場發(fā)生相互作用時，獲得了勢能。

希格斯機制也告訴了我們一點，其實任何基本粒子本來都應該以光速飛行，只不過因為希格斯場的存在，讓基本粒子發(fā)生了減速。而光子膠子等基本粒子不會與希格斯場發(fā)生作用，所以一出生就以光速飛行，而且沒有任何加速過程。

總結

說了這么多，用一句話來表達就是：能量才是最根本的東西，而不是質(zhì)量。之所以把這句話放在最后，就是擔心如果沒有鋪墊的話，一開始說這句話可能很多人會不理解。也就是說，質(zhì)量只是能量的一種外在表現(xiàn)形式罷了。

關于這一點，量子場論已經(jīng)給出了詳細的表述，萬物其實都可以看作是“能量包”。通俗理解就是：能量的聚合就是質(zhì)量，質(zhì)量的離散就是能量！