根据狭义相对论,质量和能量都是同一事物的不同表现形式,对于普通人来说,这是一个有点陌生的概念。——爱因斯坦
有一些科学概念已经如此深刻地改变了我们的世界,我们每个人都知道它是什么,也能完整的表述出来,但很少有人知道为什么是那样。例如:爱因斯坦提出的E=mc^2。那为什么质量物体蕴含的能量等于质量成以光速的平方?这个方程怎么能如此简洁的正好相等呢?为什么方程中再没有其他常数呢?为什么不是E=amc^2而a是任意常数?
其实爱因斯坦这个方程是动量和能量守恒的结果,如果我们的宇宙质量和能量以这种方式转换的话,一切事情可能会大不相同。
从星系、恒星和行星一直到分子、原子和基本粒子本身。尽管它们在物理尺度上不同,但物质的每一个组成部分都有一个基本属性:质量,这意味着即使我们把物质的所有运动状态都拿走,即使把它冷却到绝对零度,让其完全静止,它自身固有的质量属性仍然会对宇宙中的其他物体产生影响。
具体来说,任何质量的存在都会对其周围的空间造成扭曲,并对附近的质量物体施加一种力,这种吸引力我们称之为万有引力,质量的存在本身就是一种特定的能量。
最后一句话有点违反直觉,因为在物理学中我们通常认为能量是完成某项任务的能力:我们称之为做功的能力。如果你只是坐在椅子上休息,就算你拥有质量,那你能完成什么?
在回答这个问题之前,让我们先看一下质量物体的另一面:没有质量的物体。
宇宙中有一些完全没有质量的东西:比如光子。这些粒子也携带一定数量的能量,这很容易理解,因为光可以与物体相互作用,被物体吸收,并将能量传递给物体。足够能量的光可以加热物质,赋予它们额外的动能(和速度),把电子踢到原子中更高的能量状态,或者完全电离原子,这些都取决于光的能量。