[科普中國]-質(zhì)能守恒定律

內(nèi)容

質(zhì)能關(guān)系式表明，愛因斯坦把能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律統(tǒng)一為質(zhì)能守恒定律。

在經(jīng)典物理學(xué)中，質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律彼此是完全獨(dú)立的。因?yàn)橘|(zhì)量的數(shù)值不決定于能量的數(shù)值，能量的數(shù)值也不決定于質(zhì)量的數(shù)值。而且還有這種情況，即在系統(tǒng)與外界發(fā)生相互作用時，從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)看來，系統(tǒng)的能量雖然不守恒，但質(zhì)量卻可以是守恒的 。這是因?yàn)樵诮?jīng)典物理學(xué)中僅僅考慮系統(tǒng)內(nèi)部各個物體之間的相互作用能。按照質(zhì)能關(guān)系式，與各個物體的動能以及各個物體間的相互作用能相對應(yīng),也有一定的質(zhì)量。這部分質(zhì)量在經(jīng)典物理學(xué)中通常是不考慮的。

在相對論中，由于質(zhì)量和能量之間存在著當(dāng)量關(guān)系，它們是密切聯(lián)系著的。所以，對一個封閉系統(tǒng)來說，系統(tǒng)內(nèi)一個物體的能量減少時，其質(zhì)量也相應(yīng)地減少；系統(tǒng)內(nèi)另一個物體能量增加時，其質(zhì)量也相應(yīng)地增加。即從封閉系統(tǒng)的質(zhì)量守恒，必然得到能量守恒，反之亦然。因而在相對論中，存在著統(tǒng)一的能量—質(zhì)量守恒定律，這兩個基本的自然定律是緊密聯(lián)系、完全一致的。這也從一個側(cè)面反映出物質(zhì)和運(yùn)動的不滅性以及物質(zhì)和運(yùn)動的統(tǒng)一性。

所以，在經(jīng)典物理學(xué)和相對論物理學(xué)中，對質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律這兩個基本自然規(guī)律的解釋，是有原則性區(qū)別的 。1

相關(guān)公式根據(jù)相對論動力學(xué)的基本方程和質(zhì)量與速度的關(guān)系式，可以推出著名的相對論質(zhì)能關(guān)系式：

E = mc2 (1)

mc2= Ek+moc2 (2)

△E = △mc2 (3)

(1)式表明，具有能量E的任何物質(zhì)(包括實(shí)體物質(zhì)和場物質(zhì))同時具有質(zhì)量m，物體的總能量與總質(zhì)量成正比。

(2)式表明，物體的總能量由兩部分組成：一是物體靜止時具有的靜止能量；二是物體運(yùn)動時才有的動能，物體的總能量等于它的靜能和動能之和。

(3)式表明，能量變化與質(zhì)量變化之間的關(guān)系。

提出過程質(zhì)量和能量都是物質(zhì)的重要屬性。 質(zhì)量可以通過物體的慣性和萬有引力現(xiàn)象而表現(xiàn)出來；能量則通過物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)變化時對外作功、熱傳遞等形式而表現(xiàn)出來。 在牛頓力學(xué)中，質(zhì)量和能量之間，是相互獨(dú)立的，沒有關(guān)系的。在相對論力學(xué)中，能量和質(zhì)量只是物體的統(tǒng)一力學(xué)性質(zhì)的兩個不同方面。在表面上完全不同的事物之間，尋找它們內(nèi)在的聯(lián)系，這是自然科學(xué)的一個永恒的主題。1905年愛因斯坦的第一篇相對論論文發(fā)表后三個月，他又專門寫了一篇不到兩千字的論文來討論慣性質(zhì)量與能量的關(guān)系，直到1907年才把完整的結(jié)論闡明。他的答案是：物體的慣性質(zhì)量就是物體的能量的度量。這個富有哲學(xué)味道的科學(xué)論斷，就是常常被譽(yù)為新時代標(biāo)志之一的著名的愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式。2

價值和意義愛因斯坦提出的質(zhì)能關(guān)系式是相對論動力學(xué)的一個重要成果，在狹義相對論中占有重要的位置。

愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式指出質(zhì)量和能量這兩個重要物理量之間密不可分的聯(lián)系：一個物體的質(zhì)量與它的能量之間有確定的數(shù)量關(guān)系；具有能量E的任何物質(zhì)客體，同時具有質(zhì)量m；具有一定質(zhì)量m的物質(zhì)客體也必具有和這質(zhì)量相關(guān)的能量E。因此，質(zhì)量不僅可作為物體慣性的量度，也可作為它能量的量度。也就是說，愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式反映了物質(zhì)的兩個基本屬性——質(zhì)量和能量之間存在著的普遍關(guān)系和不可分割的聯(lián)系：物體的質(zhì)量與能量有固定的比例關(guān)系，它們是相互聯(lián)系、相互制約的物質(zhì)屬性，不是絕對對立和分離的；質(zhì)量和能量同屬物質(zhì)的屬性，它們互以對方的存在為自己存在的前提，世界上沒有脫離質(zhì)量的能量，也沒有脫離能量的質(zhì)量；有質(zhì)量就有能量，有能量就有質(zhì)量，不能把能量和質(zhì)量分割開來。

相對論的這個發(fā)現(xiàn)，不僅推翻了把質(zhì)量和能量“非此即彼”絕對化的形而上學(xué)的觀點(diǎn)，而且深刻地反映出任何物質(zhì)自身屬性“變與不變”的對立統(tǒng)一。在一定意義上也表現(xiàn)了物質(zhì)和運(yùn)動的不可分割性：物質(zhì)總是在運(yùn)動，運(yùn)動總是指物質(zhì)的運(yùn)動；沒有不運(yùn)動的物質(zhì)，也沒有無物質(zhì)的運(yùn)動。3