互动科普

这是一个很有意思的问题。光合作用是个很复杂的过程，从结果来看它又是一个很简单的化学反应。简单地说，就是植物通过吸收太阳光，把从根部吸收的水（H₂O）和从叶子吸收的二氧化碳（CO₂）合成为碳水化合物 [C_m(H₂O)_n ]，同时释放出氧气（O₂）。这个过程的逆过程是，碳水化合物和氧气进行燃烧反应，又生成二氧化碳和水。从化学的角度来看，无论是正反应还是逆反应，反应前后的物质量没有变化，也就是说“物质是守恒的”。但是我们注意到，正反应当中吸收了太阳光的能量，在逆反应中释放出热能，二者的能量也是守恒的，也就是说在正反应中，光能转化为化学能，在逆反应中化学能又转化为热能。问题是，在正反应中，吸收了能量，反应前后的质量有没有增加？

根据相对论原理，质量和能量是可以转化的，它们单独并不守恒，二者加在一起才是守恒的。质量-能量的转化在核反应中非常明显，在核裂变过程中，较大的原子核比如铀235可以自发分裂为两个较小的原子核（另有两三个中子），反应后生成的两个小原子核（和中子）中质子加中子的数量与反应前大原子核中的数量相同，但质量却明显不同，在实验中能明显地观察到反应后的质量变小了。根据爱因斯坦的质能关系，这“丢失”的质量转变为能量释放出去，这就是核裂变能。在核聚变反应中这种变化就更明显了，我们可以在元素周期表中查一下，4个氢原子核聚变为1个氦原子核，而4个氢原子的质量大于1个氦原子的质量（电子的质量可以忽略），减少了的质量就转变为核聚变能释放出来。

在化学反应实验中难以观察到反应前后质量的变化，这是因为，在化学反应中只涉及到电磁力，远比在核反应中涉及到的强力（表现为核力）要弱得多，反应前后的质量变化就不明显。尽管相对转化量比较少，但大量的光合作用是会使地球的质量增加的。

（本文发表于《科学世界》2013年第12期）