愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc^2揭示了物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間的關(guān)系：能量與物體的質(zhì)量成正比,質(zhì)量和能量不可分割地聯(lián)系在一起.質(zhì)能方程E=mc^2或ΔE=Δmc^2是否反映了質(zhì)量和能量之間的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系?質(zhì)量和能量是否是不守恒的,而是質(zhì)能守恒?與其相關(guān)的“質(zhì)量虧損”又怎么理解呢?
要搞清這些問(wèn)題,就要理解愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程的含義.質(zhì)能方程E=mc2說(shuō)明,當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為m時(shí),它運(yùn)動(dòng)時(shí)蘊(yùn)含的總能量為E.總能量E包括物體的動(dòng)能和靜能.在物體的運(yùn)動(dòng)速度不是很大時(shí),動(dòng)能Ek =(1/2) m0v^2,m0是靜止質(zhì)量.靜能E0即物體靜止時(shí)具有的總內(nèi)能,包括分子動(dòng)能、分子間的勢(shì)能,使原子與原子結(jié)合在一起的化學(xué)能,使原子核與電子結(jié)合在一起的電磁能,以及原子核內(nèi)質(zhì)子、中子的結(jié)合能,等等,E0=m0c^2.所以E= mc^2= E0+Ek.E=mc^2說(shuō)明了一個(gè)物體所蘊(yùn)含的總能量與質(zhì)量之間的關(guān)系.
ΔE=Δmc^2說(shuō)明當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量變化了Δm時(shí),相應(yīng)變化的能量為ΔE.一個(gè)系統(tǒng)的能量減少時(shí),其質(zhì)量也相應(yīng)減少；當(dāng)另一個(gè)系統(tǒng)接受因而增加了能量時(shí),質(zhì)量也有相應(yīng)增加.ΔE=Δmc^2說(shuō)明了一個(gè)物體質(zhì)量改變,總能量也隨之改變.
兩式含義表明,質(zhì)能方程沒(méi)有“質(zhì)能轉(zhuǎn)化”的含義,質(zhì)能方程只反映質(zhì)量和能量在量值上的關(guān)系,二者不能相互轉(zhuǎn)化.對(duì)一個(gè)封閉系統(tǒng)而言,質(zhì)量是守恒的,能量也是守恒的.在物質(zhì)反應(yīng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程中,物質(zhì)的存在形式發(fā)生變化,能量的形式也發(fā)生變化,但質(zhì)量并沒(méi)有轉(zhuǎn)化為能量.質(zhì)量和能量都表示物質(zhì)的性質(zhì),質(zhì)量描述慣性和引力性,能量描述系統(tǒng)的狀態(tài).
那么,質(zhì)量虧損又是怎么回事呢?
我們可以看到,質(zhì)量虧損總是發(fā)生在系統(tǒng)向外輻射能量的情況下,系統(tǒng)能量減少,質(zhì)量自然就減少了.當(dāng)系統(tǒng)的質(zhì)量減少Δm時(shí),系統(tǒng)的能量就減少了ΔE,減少的能量向外輻射出去了.減少的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為光子的質(zhì)量,減少的能量轉(zhuǎn)化為光子的能量!雖然光子的靜止質(zhì)量為0,但在光子的輻射過(guò)程中,具有能量E=hυ,所以運(yùn)動(dòng)的光子具有一定的質(zhì)量.光子運(yùn)動(dòng)的速度始終為c,E=hυ= mc^2,所以當(dāng)一個(gè)光子的頻率為υ時(shí),它的質(zhì)量為m= hυ/ c^2.