什么是質(zhì)量?什么是能量?質(zhì)量為什么會變成能量?質(zhì)量與能量是什么關(guān)系?質(zhì)量和能量哪個更基本?在認(rèn)識能量和質(zhì)量方面,由于概念上的問題,人們一直有不少困惑。
質(zhì)量是量度物體慣性大小和含有物質(zhì)多少(即物化能多少)的物理量。它不是一個恒量,而是一個可變動的量。1901年考夫曼以實驗結(jié)果證明,當(dāng)電子速度接近于光速時,其質(zhì)量急劇增加,從而推翻了質(zhì)量守恒原理。而能和物化能是客觀存在,是實在的和可以守恒的,所以對于能和質(zhì)量來說,能是本原。
我們來弄清楚愛因斯坦方程E = mc2 中的E是什么?m 是什么?
從質(zhì)能等效方程E = mc2 可知E 與光速c 平方成正比,當(dāng)c = 0 時,能量為0 ;由此可知E是動能,而不是靜止能量。
前述核子結(jié)合成原子核、重核裂變和輕核聚變所釋放的能量計算,都是以質(zhì)量虧損數(shù)量為計算數(shù)據(jù),由此可知方程E = mc2 中的m 是靜止質(zhì)量。因此愛因斯坦質(zhì)能等效方程的準(zhǔn)確表達(dá)式應(yīng)為:
方程中V 是物體運動速度,C 是光速。
當(dāng)V = 0 時,V 2 / c 2 = 0 ,則m 為靜止質(zhì)量, E為靜止能量,于是,“能本原論”從方程(2 )導(dǎo)出一個重要結(jié)果:靜止能量等于靜止質(zhì)量。
E 靜 = m 靜 ⑶
這是靜止質(zhì)能全等式。因此靜止質(zhì)量和靜止能量實質(zhì)上是同一樣?xùn)|西——物化能量。物化能量是能量的一種重要形式,是被束縛起來粘結(jié)致密的、具有質(zhì)量并用質(zhì)量量度的能量,它包括物態(tài)能量(簡稱物能)和亞物態(tài)能量(簡稱亞物能)。
將方程⑶代入方程⑴,可得出:
E 動 = E 靜c 2
因為靜止能量E 靜是被束縛起來的物化能量,因此得出方程:
E 動 = E 物c2 ⑷
方程⑷是“能本原論”從愛因斯坦質(zhì)能等效方程導(dǎo)出的物化能轉(zhuǎn)化為動能的變換式和守恒方程。它揭示了所謂質(zhì)能等效守恒定律,實質(zhì)上是物化能轉(zhuǎn)化為動能(能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式)的能量轉(zhuǎn)化和守恒。
“能本原論”認(rèn)為質(zhì)子、中子和原子核是聚合粘結(jié)的致密巨能量。這個結(jié)論可以從下面一些科學(xué)實驗成果得到有力的證明。
現(xiàn)代物理學(xué)通過試驗已經(jīng)測算出:一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時,要放出2.22 兆電子伏的能量(相當(dāng)于一個碳原子在燃燒過程中釋放的能量的數(shù)十萬倍 )。這個能量以r 光子的形式輻射出去。它的核反應(yīng)方程是:
10n + 11 H → 21 H + r
物理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),氘核雖然是由一個中子和一個質(zhì)子組成。它的質(zhì)量卻不等于一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量之和。比較精確的計算表明,氘核的質(zhì)量比中子和質(zhì)子質(zhì)量之和要小0.002388u ( 注:u表示原子質(zhì)量單位,1u = 1.660566 × 10 -27 千克 )。
愛因斯坦的質(zhì)能等效方程E = mc2 告訴我們:物體具有的能量跟它的質(zhì)量之間存在簡單的正比關(guān)系。物體的能量增大了質(zhì)量也增大,能量減少了質(zhì)量也減少。核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損△m ,表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量 △E=△mc2 。知道了原子核的質(zhì)量虧損,就能夠運用愛因斯坦質(zhì)能方程計算出核子在結(jié)合成原子核時放出的能量。上述中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時質(zhì)量虧損△m = 0.002388u ,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程:
0.002388×1.66×10-27×(3.00×108)2
△E=△mc2= ← 電子伏= 2.22
兆電子伏 1.60×10-19
計算的結(jié)果跟實際測算結(jié)果符合得很好。這個核反應(yīng)表明一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時。所虧損的0.002388u 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為2. 22兆電子伏能量。
我們再以一個鈾核裂變?yōu)槔纯春肆炎儠r質(zhì)能變化。
235 92u + 10n → 9038Sr + 136 54Xe + 10 10n
在這個反應(yīng)中釋放的能量可以計算如下:
反應(yīng)過程中質(zhì)量減少了△m = 0.1510u
反應(yīng)中釋放的能量△E = △mc2 = 141兆電子伏
理論計算的結(jié)果跟實驗測算的結(jié)果同樣符合得很好。上述鈾核裂變過程中減少的0. 1510u 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為141兆電子伏能量。原子彈的爆炸其實就是原子核裂變時質(zhì)量爆炸成動能。
重核裂變時原子核的質(zhì)量要轉(zhuǎn)化為巨大能量,某些輕核聚變結(jié)合成為質(zhì)量較大的原子核時,要釋放出更大的能量。例如一個氘核和一個氚核結(jié)合成一個氦核時,要釋放出17.6兆電子伏能量。這個核聚變反應(yīng)所釋放出的巨能量,也是直接由聚變之前和聚變之后的靜止質(zhì)量之差產(chǎn)生的。
上述核子結(jié)合為原子核、重核裂變和輕核聚變反應(yīng)的理論計算和實驗結(jié)果都表明質(zhì)量和能量在本質(zhì)上是同一樣的東西。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能的密切關(guān)系和著名的質(zhì)能等效方程,但對質(zhì)能內(nèi)在的一致性和區(qū)別仍缺乏徹底的認(rèn)識,他沒有弄明白靜止質(zhì)量就是物化能。乃至伸手可以逮住的“萬物本原”和“第一推動”從他的眼皮底下溜掉了。他在晚年花了大量的時間和精力試圖將相對論和麥克斯韋的電磁理論統(tǒng)一起來建立“統(tǒng)一場論”,結(jié)果無功而終,令人腕惜。
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