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愛因斯坦的著名公式E=mc2,什麽意思?

愛因斯坦質能方程E=mc^2揭示了物質的質量和能量之間的關系:能量與物體的質量成正比,質量和能量不可分割地聯系在壹起。質能方程E=mc^2或ΔE=Δmc^2是否反映了質量和能量之間的定量轉化關系?質量和能量是否是不守恒的,而是質能守恒?與其相關的“質量虧損”又怎麽理解呢?

要搞清這些問題,就要理解愛因斯坦質能方程的含義。質能方程E=mc2說明,當壹個物體的運動質量為m時,它運動時蘊含的總能量為E。總能量E包括物體的動能和靜能。在物體的運動速度不是很大時,動能Ek =(1/2) m0v^2,m0是靜止質量。靜能E0即物體靜止時具有的總內能,包括分子動能、分子間的勢能,使原子與原子結合在壹起的化學能,使原子核與電子結合在壹起的電磁能,以及原子核內質子、中子的結合能,等等,E0=m0c^2。所以E= mc^2= E0+Ek。E=mc^2說明了壹個物體所蘊含的總能量與質量之間的關系。

ΔE=Δmc^2說明當壹個系統的質量變化了Δm時,相應變化的能量為ΔE。壹個系統的能量減少時,其質量也相應減少;當另壹個系統接受因而增加了能量時,質量也有相應增加。ΔE=Δmc^2說明了壹個物體質量改變,總能量也隨之改變。

兩式含義表明,質能方程沒有“質能轉化”的含義,質能方程只反映質量和能量在量值上的關系,二者不能相互轉化。對壹個封閉系統而言,質量是守恒的,能量也是守恒的。在物質反應和轉化過程中,物質的存在形式發生變化,能量的形式也發生變化,但質量並沒有轉化為能量。質量和能量都表示物質的性質,質量描述慣性和引力性,能量描述系統的狀態。

那麽,質量虧損又是怎麽回事呢?

我們可以看到,質量虧損總是發生在系統向外輻射能量的情況下,系統能量減少,質量自然就減少了。當系統的質量減少Δm時,系統的能量就減少了ΔE,減少的能量向外輻射出去了。減少的質量轉化為光子的質量,減少的能量轉化為光子的能量!雖然光子的靜止質量為0,但在光子的輻射過程中,具有能量E=hυ,所以運動的光子具有壹定的質量。光子運動的速度始終為c,E=hυ= mc^2,所以當壹個光子的頻率為υ時,它的質量為m= hυ/ c^2。