质能方程E=MC²中M指质量吗？那只是表面，还有更深刻的含义

爱因斯坦的质能方程E=MC平方如此简洁如此优美，但凡学过初中物理的伙伴应该都听说过。公司中的M指的是质量，但我要说的是，按只是表面，其中还隐藏着更深刻的含义。

下面来具体讲述一下。

一个氢原子之轻，超出你我的想象，它的体重竟比构成它的质子与电子的体重之和还要轻！但为何一个整体的质量能轻于其组成部分的总和呢？

众所周知的物理学等式E=MC平方可能家喻户晓，但1905年爱因斯坦原始的方程却是另一种面貌，他写的是M=E除以C的平方，这之所以成为物理学的基石，是因其揭示了质量的意义所在。

人们常有这样的误解：质量即能量的一种表现形态，或者质量就是静止的能量，又或许质量可转化为能量，但其实这些说法都不准确。

其实，在我们日常生活中那些看似平凡的情境，往往能帮助我们更好地理解M=E除以C的平方的深层含义。举个例子，哪怕两物由相同元素构成，它们通常并不具有相同的质量——物体的质量并非其各个构成元素质量的简单累加，反之，一个复合物体的总质量受以下两方面影响。一是各构成元素的排列方式；二是这些元素在物体内部的运动模式。

以两个具体例子来说明。想象两座精确的时钟，一台不停摆动，另一台则静止。爱因斯坦曾经表示，运转的那台质量较重，这是为何？

因为行进的时钟内，指针和齿轮的移动赋予了它们动能，紧绷的发条存储着势能，加之运动部件间的摩擦生热，进一步加剧了原子的运动——即热能，在更微观尺度上可等同于分子的无规则运动所呈现的动能。

M=E除以C的平方的内涵正是，时钟中各部件的动能、势能和热能，本身也构成了时钟的质量一部分，将这些能量相加后除以光速的平方即可得质量。动能、势能与热能对总质量的贡献微乎其微，因为光速实在是太大了。这就是为何大多数人会误以为质量是物体内“物质含量”的一个指标！

在我们的日常生活中，其实很难察觉到这些细微的质量差别，但它们确确实实存在着，只要你的称量工具精确到足以测出这些差异！

但倘若我们说因指针移动而让指针本身的质量增加，那仅是过时的说法。许多现代物理学家在谈及质量时，指的是物体在静止状态下的质量，也即“静质量”。因此现在很少使用“静质量”一词，直接称之为质量即可，大家对此心照不宣。

原因众多，其中一个在于所有观察者一致认为静质量是一种固有属性。而M=E除以C的平方中所指的M正是静质量，你大可以将质量理解为物体难以加速或物体受到重力大小的指标。无论从哪个角度看，一个正在行走的时钟总是比完全相同但停摆的时钟质量要大。

再举一个例子，当你打开手电筒，它的质量就立刻开始减少，这是为何？

因为光承载着能量，而这能量最初是存储在电池内的。当这些能量以光的形式散发，便不再能测量到其质量。如此看来，太阳本质上和手电筒并无二致，因为它也发光，其质量每秒减少40亿千克。

你不必为此担忧，因为地球仍正常运转，太阳每秒减少的质量仅占其总质量的微不足道的一小部分。但那能说明太阳在将质量转化为能量吗？

事实上，并非如此！太阳光中的能量，是消耗组成太阳的粒子的动能和势能换来的，在那束光发射之前，太阳中作为质量一部分的动能和势能的总量更大。太阳每秒减少的40亿千克的质量，实际上只是其组成粒子动能和势能的减少。我们称重的一直是物体中粒子的能量，只是我们没有注意到而已。

还有一个例子。假设我在一个四周都是镜面的封闭盒子中，手拿一个手电筒，当我打开手电，天平的读数会改变吗？

并不会。因为对于手电而言，其质量虽减小，但整个盒子的质量却保持不变。虽然称量测得的电化学能减少，但同时也测到了未能离开盒子的等量光能的增加。尽管光本身无质量，但如若你能从盒子中提取出这束光，它所携带的能量仍以M=E除以C的平方的形式，构成了盒子的总质量，因此，天平的读数不会改变。

但更加引人入胜的案例还在后头。

在之前例子中，物体的质量均大于其组成部分质量的总和。那为何一个氢原子的质量却要比构成它的一个质子和一个电子的质量小呢？

因为势能有时会是负数。想象一下，质子和电子相隔无限远时，势能为零，而当它们靠近时，其电势能则会下降，这就如同你离地表越近，重力势能越小，因为地球对你也有吸引力，故在氢原子内，电子和质子间的势能是负数。

而电子围绕质子旋转，具有正的动能，但相较于巨大的负势能，动能与势能的和还是负数。因此M=E除以C的平方公式中的M本身是负数，这导致氢原子的整体质量小于构成它的部分质量之和！

实际上，除了某些特殊情况，周期表上的所有原子总质量，均比构成它们的质子、中子和电子的质量要小，对于分子也是如此，一个氧分子的质量，比构成它的两个氧原子还要轻，因为一旦形成化学键，这些原子的动能与势能之和就会变负！

那么质子和中子本身的质量又从何而来？它们是由一种名为夸克的物质构成，夸克的质量只有质子或中子的2到3千分之一，那质子的质量究竟源自何处？

基本上，这源自于“夸克势能”。那么接着一个问题就是，电子和夸克的质量究竟来自何方？至少在粒子物理标准模型中，它们不再具有更深层次的结构，那么又该如何解释它们的质量呢？

这是一个非常微妙的问题。简而言之，你可以将它们的质量视为对各种势能的反映。比如，电子和夸克与希格斯场互动产生的势能，或是与它们自身产生的电场互动产生的势能，对于夸克则是它们与胶子的互动。

那物质与反物质相互湮灭又该如何解释呢？这难道不是物质被“转变”为能量了吗？

同样不是，甚至这个过程可以通过一种方法概念化，纯粹转变为一种能量到另一种能量（动能、势能、光能等）的转换，根本无需所谓的质能转换，事实上，你不必把质量“转变”成能量。

也可以这样说，我们所称的“质量”并不是一个实体，而是一种属性，而这种属性正是物体内各种内在能量的表现形式。因此，尽管从物质角度将质量理解为“量的多少”是不准确的，但可以将其视作能量的度量！所以，每一次称体重时的数值，实际上是你的总能量，只是你未察觉而已！