能量是质量的时空分布可能变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领 。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系,即爱因斯坦的质能关系式:E=mc2 。
能量的单位与功的单位相同,在国际单位制中是焦耳 。在原子物理学、原子核物理学、粒子物理学等领域中常用电子伏作为单位 。物理领域,也用尔格作为能量单位 。能量以多种不同的形式存在;按照物质的不同运动形式分类,能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等 。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化 。各种场也具有能量 。能量:是一种逻辑结构流动力 。
质量和能量有什么关系理论上说质量和能量是可以互相转变的,而且实验也已经证实了质量可以转变为能量,但是能量是如何转变为质量的呢
‘核聚变是氦原子的质量小于两个氢原子的质量,少的那部分质量就转化成了能量释放出来,而且质量与能量的关系非常好的符合了爱因斯坦的质能方程 。这些都是已经证实了的,原子核的具体重量不是我们觉得有没有,而是它确实有 。碳-12原子的质量为1.993*10^-26千克,这个知识点在初中物理就已经学到了 。
质量和能量是如何相互转化的,转化的本质是什么?时间和空间是两个看似毫不相关的概念,但事实上却是一个不可分割的整体 。
从理论上来讲,时间和空间的存在都依赖于物质,时间的本质是量子态,也就是物质的运动和变化,而空间则是物质变化的结构呈现,所以二者的本质都是物质,自然也就不可分割 。
在狭义相对论所描述的钟慢效应和尺缩效应中,时间与空间的联系被再一次证实 。高速运动的物体时间流逝速度会变慢,而长度会缩短,可见运动对于时间和空间具有同步的影响 。像时间和空间这样看似并不相关,实际上却是一体的还有质量和能量 。
质量和能量放在一起被称为质能,而说到质能,我们就会想到质能方程,而提到质能方程,我们很容易就会想到提出质能方程的爱因斯坦 。
很多人误会了爱因斯坦,也误会了质能方程,他们认为质能方程说明了质量和能量可以相互转化,而事实上这种说法是错误的,质量和能量无法相互转化,因为二者根本就是一个整体,又何来转化呢?在质能方程中,这一点体现得极为明确,质量等价于能量 。正是因为质量守恒、能量守恒,所以才有了质能守恒 。为了便于理解,我们还是可以从物质运动的角度去思考这个问题 。
我们知道,任何运动中的物体都是具有动能的,而动能的大小和物体运动的速度呈现正比关系 。
另一方面,从相对论可知,任何具有质量的物体在运动的过程中会产生一个惯性质量,运动速度越快,惯性质量就越大 。这是一件有意思的事情,一个物体运动越快,动能就越大,也就是说它的能量就越大,同时质量也就越大 。
而事实上这个物体的质量和能量是一回事 。我们可以这样说,质量和能量实际上是对于同一事物的两种测量方式 。我们误会质量和能量是两个概念,甚至误会质量和能量可以相互转化,这与现实中的一些现象是息息相关的 。
炸弹爆炸最容易导致我们对质量和能量的概念产生误会,因为在爆炸过后,原本爆炸物的质量确实是减少了 。
面对这种现象我们很自然地就会联想到质量转化为了能量 。但实际上不是这样的,我们可以进行这样一个实验,就是将爆炸物放在一个完全密封的容器中引爆,没有任何物质可以从这个容器中泄露而出 。
引爆后再次测量容器的重量,就会发现其重量是不变的 。这说明能量和质量之间是等价关系,并不是转化关系,每单位的能量都对应着相应的质量,所以能量减少,质量必然降低,质量降低,能量必然减少 。
质量为什么会等价于能量?或者说两者为什么是统一的呢?
我们可以从高能物理中找到较易理解的答案 。在高能物理中,物质的质量主要来源于束缚夸克的强相互作用输出的能量 。通俗一点来说,就是物质运动的能量就是物质质量的本质 。
能说质量就是能量吗,自从诞生了狭义相对论导出的E=mcc以后,质量与能量就成了同一种东西的两个名称而已 。可以这样说:质量是内敛的能量,能量是外显的质量 。
关于两者的单位不同的问题,那就像千克与磅或盎司等单位不同一样,不过是一种习惯的不同,或者应用上方便而已,并无本质上的区别 。一个最明显的例子是:在高能粒子物理中,粒子的质量通常都不是用千克等国际单位,而是用MeV——百万电子伏特,这是一个典型的能量单位,它指一个电子在经过一百万伏特电压的加速后获得的能量 。由于用MeV来表示粒子的质量很方便——不必再使用十的负几十次方千克这样的极小数字,所以粒子物理学家基本上总是用MeV来表质量,因为两者本来就是一回事儿 。
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