什么是E=mc2 ？66

当相对论尚未出现之时，有两条彼此互不相干的守恒原理（也称“平衡”原理）在物理学中有着很高的地位。它们就是能量守恒原理和质量守恒原理，我们有必要先温习一下这两条原理，才能更好地理解质能相当性定律。

能量守恒定律是莱布尼茨早在十七世纪的时候就已经提出的一条原理。到了十九世纪，就本质而言它成了力学原理的一个推论，因而也得到了很大的发展。

比如一个摆，它的锤来回摆动于A点和B点之间。我们设定m表示锤的质量，C表示它经过两点之间的最低处，h表示它高出两点的距离（见图二）。摆锤在C处的时候获得了速度v，可这时它就没法再升高了，就好像提升的高度都转换成了速度，相反也是一样。我们可以用公式 表示这种关系，在这里，g表示的是重力加速度。这个公式明白地说明了，摆的长度和摆锤运动时经过的路线形状都不会影响这个关系。

在这个过程之中，有一种重要的东西始终都保持不变，即能量。当处于A和B这两个位置时，它拥有位置的能量，即“势能”；当处于C这个位置时，它拥有运动的能量，即“动能”。这个概念如果没有错误，那么，无论摆在哪个位置，只要v表示摆锤在路程中某个点的速度，h表示超过c的高度， 的数值都应该固定不变。这个结论得到了实验的支持，因而这条原理也得到了推广。另一条定律，即“机械能守恒定律”也由它带了出来。然而我们要考虑一下，若是摆因为摩擦而停止，会有什么状况发生呢？

通过研究热现象，人们发现了答案。热这种物质无法被毁灭，它总是从热体向冷体流动，此中是否又出现了一条“热守恒原理”呢？很久之前我们就了解到，通过摩擦能够生热，比如印第安人以前用摩擦来取火，就是对这一现象的运用。物理学家长久以来都无法令人信服地解释这种热的“由来”。现在我们明白了，必须消耗一份在数量上有着准确比例的能量进行摩擦，才可以产生与此对应的数量的热。因此，“功热相当”的原理就出现了。还是拿这个摆来说，机械能在摩擦过程中一点点转化成了热。

机械能守恒和热能守恒这两条原理，既然道理一样，那么，也就能将之合并为一条原理。物理学家在经过此次原理的合并之后认为，其他领域，乃至包括化学过程和电磁过程也应该能被囊括在守恒原理之内。简单来说，他们想用这个原理解释所有领域中的现象。在我们的物理体系中，似乎存在着一个能量总和，无论出现了什么变化，它的总量始终不变。

那么，质量守恒原理又是什么呢？对物体的重量的度量产生了质量（重力质量），也可以说，它是由物体对它的加速度的阻力的反抗来定义的（惯性质量）。这两句话都是质量的概念，并且都没有错误，通过这两种方式得到的数值是一样的，这简直令人吃惊。从“无论产生什么化学变化或物理变化，质量保持不变”这条原理能够发现，质量具有不变性，是物质最根本的特征之一。无论你是将之加热、熔解、汽化，还是将之结合为化学化合物，都无法改变它的总质量。

物理学家直到几十年之前，都还对这条原理深信不疑。然而，当狭义相对论出现之后，它的光荣也就至此终结了。因此，我们现在看到，质量守恒原理成了能量守恒原理的一部分，就如同大概六十年前一样，热守恒原理和机械能守恒原理相互结合，也可以说热守恒原理被能量守恒原理所吞并，整个领域都被这些原理的结合体所占领。

虽然不甚精确，然而我们还是习惯于用这样一个公式表示质能相当性，即E=mc2 ，在这里，c表示的是光速（约30万公里每秒），E表示的是静止物体所具有的能量，m表示其质量。公式的含义就是，物体在静止之时，其质量乘以光速的平方就是其所含的能量。光速的数值是非常大的，换而言之，哪怕是几克重的物体，也蕴含着巨大的能量。

可是，既然是这样，人们为什么长久以来都没有注意到这一点呢？答案其实非常简单，它只要不向外放出能量，你就无法观察到其能量变化。比如说，有个人极为富有，而他却从不花钱，那么，谁也不知道他到底有多少钱，那个人的钱，就相当于物体的能量。

我们再考虑物体的质量。能量E若是增大，从公式推断，质量即 也必然随之增加。我们很容易就能将一个物体加热10℃，若是加热的时候对其质量变化进行测量，这个公式的有效性不就可以得到验证了吗？然而困难却在于：在这个分数中，分母即c2的数值极大，在这样的情况下，质量的增加就极不明显，其变化也就难以测量。

必须大大增加物体能量的变化，才有可能量出质量的增加。在有一个领域之中，每个单位的质量都会有大量的能量释放出来，即放射性蜕变。对此过程我们要简单加以说明：一个质量是M的原子在分裂过后，会成为质量是M’和M’’的两个新原子，两个原子在分离之时，各自都会带着巨大的动能。当这两个新原子静止下来之后，其运动能量已经消耗掉了。因此，从相当性原理可以推出，蜕变产物的质量的总和M’+M’’，必定要少于蜕变原子的原来质量M，所以，两个新原子的能量之和要少于原来的原子。这一点也揭示了，相当性原理跟旧的质量守恒原理是不一致的，大概会有千分之一个数量级的差别。

实际上我们无法称量出单个原子的重量，然而，运用间接的方法，它们的重量依旧能被准确地量出。我们能够测定出蜕变产物M’和M’’的动能，量出来之后，就能对这个相当性公式加以检验和证实了。同样，通过这条定律，原子量也能被精密地测出，如此一来，我们就能预先算出任何一种原子蜕变会放出的能量有多少。然而，这种蜕变到底能否或者怎样实现，无法从这条定律中找到答案。

这里还用前面用过的那个有钱人的例子，来说明我前面的理论叙述。我们将有钱人看成原子M。原子M是个有钱的守财奴，终其一生一分钱（能量）都不花。然而，在他将死之际，在遗嘱中将自己的财产分别留给两个儿子M’和M’’，然而，两个儿子在拿到遗产的前后，还要给政府上交一定的“遗产税”，上交的数目不多，约占遗产（能量或者质量）总量的千分之一。很明显，纳过遗产税之后，两个儿子的钱加起来要少于父亲的那些钱（质量M’+M’’少于放射性原子的质量M）。看起来上交的遗产税并不多，然而就动能而言，其能量却是巨大的！现在，我们正在受到这个东西的威胁。 67 这个问题极为迫切，我们必须想办法将这种威胁解除。

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