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一斤盐溶于一斤水,最后是不是两斤?爱因斯坦:算上能量了吗?

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  “一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重?”这问题看似简单,实际不简单,想要得到两斤必须保证没有能量变化。下面由浅入深,吹毛求疵一下,看看爱因斯坦眼中的答案是什么。

  

错觉

  在温度恒定的情况下,一斤水+一斤水=两斤水,这没人有疑问吧?如果有问题,肯定是秤坏了!水加水没有问题,为何水加了一斤其他的物质就会引发议论呢?

  

  或许是“固体”的食用盐在水中溶解消失了,给了一些人错觉:盐是不是凭空消失了?那么质量是不是减少了,不守恒了?实际上很多时候,质量确实减少了。

理想状态下才能守恒

  如果实验是在恒温,密闭的容器中进行的话,质量肯定守恒。例如:室温、水与盐都恒定在20℃,一斤盐倒入一斤水的容器,最终就是两斤。不过,有一半以上(约为320克)的盐沉淀在水底,无法溶解。

  

  温度整个过程中没有发生改变是必要条件!如果没有这些条件限制,一斤水加一斤盐大概率不等于两斤,因为能量也需要守恒!

能量的坑

  大多数人对质量比较清晰,拿在手上沉甸甸的,但是对能量就比较模糊了。我们感受到的光与热,本质都是感受到了能量,而质量的本质就是能量。

  

  如果你有一把“神奇无敌”大砍刀,随便拿个东西,一分二,二分四,四分八,这么剁下去,最后你会发现无论再怎么分也分不下去了。因为最终都被切割成不可分割的粒子。一开始我们以为这种粒子是原子,最后在高能对撞机下,科学家发现了61种比原子更小的基础粒子。

  

  这些零维基础粒子,自身并不具备任何静态质量的。质量是不同粒子基于自身的特性与其他粒子发生相互作用产生的。比如电子带电荷(负)与带正电的质子(复合粒子)会出现异性相吸的情况。它们并不相接触,就像磁铁“隔空”会出现吸引(排斥),这种现象的纽带是光子。

  

  排斥现象就像湖面上有两艘船,上面各站着一个人,面对面互相传球,渐行渐远。吸引是他们背对背扔回旋镖,于是越靠越近。光子是回旋镖,还是球,取决于电荷,这种相互作用叫做电磁力。

  

  宇宙万物的底层法则就是四种最基础的相互作用,除了电磁力扔光子,还强力(夸克扔胶子)、引力、弱力以及赋予粒子质量的希格斯机制(希格斯玻色子)。总之,质量源于粒子之间的相互作用,即万物本无质量,一切源于能量。

  

  回到盐和水的问题,如果发生温度变化或者能量的散失,那么质量肯定不等。例如:加盐过程中,发现密闭容器中盐溶解不了了,于是给盐水适当加热。最终,升温的盐水混合物质量绝对大于两斤。因为温度提升了,能量增加了,即质量增加了。同理,温度下降了,质量减少了。不过这种差别非常微小,可以用爱因斯坦的质能方程计算:

  

  利用热量公式Q=c*m*△t 计算出增加(或减少)的能量,代入质能方程m=E/c^2得到变化的质量。由于水增加的能量很小,再除以光速的平方,得到的质量至少是小数点16位往后,这种微小的质量变化一般的电子秤,测不出来。

  

  质能公式也预示着亏损少量质量能爆发出极大的能量,这就是原子弹威力的来源。

审题的坑

  除此之外,题目也有问题。一斤盐并无法“溶于”一斤水,因为水温20℃时,200克水,最多能溶解36克食用盐。即使100℃,也就39.8克。因此盐无法完全溶于水中,那么题中的“两斤”指的是盐水?还是盐与水的固液混合物?盐范围很广,没有明确,如果不是食用盐(氯化钠),问题就复杂了。硝酸铵盐溶水会降温,有些盐会发生升温,能量变化会引起质量变化。

  因此,能量变化会引起质量不守恒的假象,但质能必然守恒。

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