互动科普

世界上最有名的公式——质能公式E=mc²是由狭义相对论推导出的。然而，它表示什么意思呢？

E=mc²中的E表示能量，m是质量，c为光速。首先，我们来看看公式左侧的E。简单地说，能量是能够对其他物体造成影响的能力，例如让静止的球运动等。在爱因斯坦提出著名的狭义相对论之前，物理学家一直认为，如果持续给球注入能量的话，球可以永无止境地加速。狭义相对论则认为，即便持续给物体注入能量（不断加速），其运动速度也不可能超过光速（每秒大约30万千米）。光速是自然界中的最大速度，无论用任何方法，任何物体的运动速度都无法超过光速。请大家利用前页的公式进行计算，并亲自验证一下，不管加上多少低于c的速度，也不能超过光速（c）。

无法超过光速，也就意味着物体的运动速度越接近光速越难于加速，就算不断注入能量也不行。我们不禁会问：这些能量都消失到哪里去了？答案是能量转换成了质量（m）。那么，什么是质量呢？请大家在脑海中想象这样一幅画面：当我们推动一个质量大的铁球与一个质量小的乒乓球时，要费很大的劲才能推动质量大的铁球。也就是说，质量是表示“运动难易程度”的数值。由此可推导出：原本用来加速的能量转换成了质量。

基于这一观点，爱因斯坦推导出了著名的质能公式E=mc²。c为光速，是一个任何时候都不会变化的常数。长期以来，物理学家一直认为质量与能量是两个毫无关联的要素。在质能公式中，借助于常数c²，两者被联系到了一起。

爱因斯坦提出的质能公式E=mc²意味着质量与能量本质上是同一的。那么，具体来说，质量具有多大的能量呢？假设1克的物体全部转化为能量的话，根据E=mc²将释放出90万亿焦耳的能量，相当于2500万度电，可供约10000户一年的用电量。

核电站正是利用质能转换所产生的巨大能量来发电的。铀235发生核裂变反应时，质量略微减少，减少的质量转化为热能，热能最后转换为电能。

此外，E=mc²还解开了太阳发光机制之谜。在20世纪之前，太阳为什么会释放出耀眼的光芒，一直是一个人类渴望破解的巨大谜团。当时，地质学家认为地球自诞生之后至少存在了几十亿年。假设太阳的质量全部都是煤炭的话，计算结果表明，这些质量只够燃烧几千年，太阳的寿命将过于短暂。那么，太阳究竟是以什么为燃料才能在如此漫长的岁月里释放出如此耀眼的光芒的呢？

图1.太阳的能量之源

在太阳的中心部，4个质子发生核聚变反应，生成氦原子核。在这一反应过程中，会释放出巨大的能量。如图所示，实际上主要分成3个阶段发生反应。从整体上来看，实质上是4个质子聚合为一个氦原子核。对反应前（4个质子）与反应后（1个氦原子核、2个正电子、2个中微子）的质量（重量）进行比较的结果表明，质量在反应后仅仅减少了大约0.7%，减少的这部分质量转换成了能量。每次反应（3个阶段反应的总和）能释放出4.1×10^-12焦耳的能量。

狭义相对论解答了这一疑问。太阳的中心主要由氢构成，核心温度高达1500万摄氏度、压力相当于2500亿个大气压，是一个超高温、超高压的世界。在这样的环境中，4个氢原子核发生猛烈碰撞合并为一个氦原子核，这一反应称为核聚变反应。对反应前后的质量进行比较的结果表明，反应后质量减少了大约0.7%据质能公式E=mc²，减少的质量转换成了巨大的能量。因此，太阳才得以在几十亿年的时间里不断燃烧，为人类带来光明与热量。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）