本文参加百家号 #科学了不起#系列征文赛 。
两个容积完全相同的杯子 ， 一个杯子装满热水 ， 另一个杯子装满凉水 ， 它们的质量相同吗？这似乎是一个极度无聊的问题 ， 其无聊程度类似于“一斤盐融入一斤水中 ， 是否能够得到两斤盐水” 。
但实际上无论是盐水的问题 ， 还是热水与凉水的问题 ， 它们的答案都会令你觉得吃惊 ， 因为答案都是“不” 。 你认为一杯凉水与一杯热水的质量相同 ， 是基于一个基本的物理学定理 ， 那就是质量守恒 ， 然而事实上在任何系统中 ， 质量与能量都无法单独守恒 ， 两者必须放在一起才能够实现绝对守恒 ， 也就是质能守恒 。 之所以要把质量与能量放在一起才能够实现守恒 ， 并不是基于什么神奇的理由 ， 理由只有一个 ， 那就是两者根本就是一回事 。 质量和能量怎么能是一回事呢？只要我们搞懂了物体的质量是怎么来的 ， 自然也就有了答案 。
任何物体 ， 无论刚硬还是柔软 ， 无论固体还是气体 ， 也无论是生命体还是非生命体 ， 它们都是由相同的物质所构成的 ， 那就是基本粒子 。
我们经常提及的分子、原子 ， 这些微观物质实际上都要比基本粒子大得多 ， 而它们与基本粒子的最大区别还并不是大与小 ， 而是质量 。 分子是具有质量的 ， 原子也是具有质量的 ， 而基本粒子却没有质量 。
目前已知的基本粒子共有61种 ， 任何一种基本粒子都不具有质量 ， 其中典型的代表就是光子 ， 光子就是基本粒子的一种 ， 因其不具有静止质量 ， 所以始终以光速运动 。 那么既然构成物质的基本单位并不具有质量 ， 那么为什么物质会拥有质量呢？质量从何而来呢？物质是由基本粒子结合而来的 ， 所以物质的质量也是由基本粒子结合而来的 。
基本粒子之间的相互作用就是质量的来源 ， 粒子之间的相互作用越强 ， 受到的约束就越大 ， 于是物质的质量就越大 。
由此 ， 质量的本质渐渐浮出了水面 ， 质量实际上就是能量的一种表现形式 。 回到问题上来 ， 水的温度就是一种能量 ， 显然 ， 热水比凉水拥有更多的能量 ， 所以理论上一杯热水的质量就要比一杯凉水更高 ， 可是为什么在我们称量的时候 ， 却显示两者的质量相同呢？这是因为我们的称量不够精确 。
质量是能量的一种表现形式 ， 而且极其微小的质量就可以转化为极其巨大的能量 。 让我们来看看质能方程：E=mc∧2 ， 也就是能量等于质量乘以光速的平方 ， 光速为每秒299792458米 ， 可见其平方是一个巨大的数字 ， 所以哪怕质量m非常微小 ， 在乘以光速的平方之后 ， 所得到的能量数字也是巨大的 。
微小质量的损失会产生极其巨大的能量 ， 这在现实中最好的例子就是核裂变了 ， 原子弹的威力 ， 我们都有所耳闻 。
在人类进行核裂变研究之前 ， 科学家们一直认为化学反应是不产生质量损失了 ， 所以认为化学反应前后的质量是守恒的 ， 直到后来 ， 科学家们才意识到 ， 化学反应并非不损失质量 ， 只是质量损失非常微小 ， 小到无法觉察 。
在此之后 ， 科学家们对于化学反应的表述就变得严谨多了：化学反应在恒温、密闭的条件下 ， 反应前后质量是守恒的 。 有了“恒温”与“密闭”这两个条件之后 ， 化学反应中的质量守恒就成立了 。 因为恒温代表了没有出现质量与能量的耗损 ， 而密闭则可以避免反应生成的气体溢出 。
在弄懂了为什么一杯热水与一杯凉水的温度不同之后 ， 现在我们又明白了为什么难以得到两斤盐水 ， 原因就是实验环境并非理想环境 。
在将盐倒入水中的实验里 ， 盐与水的温度是不是相同的 ， 它们与环境温度又是不是相同的 ， 这都非常重要 。 如果盐、水以及环境温度不同 ， 那么所得的盐水在温度的升高或下降过程中必然会出现能量的变化 ， 这就导致了重量的变化 ， 于是一斤盐加上一斤水就得不到两斤盐水了 。 不过这只是从微观层面来讲的 ， 用普通的测量工具是无法看出差别的 。
【科学|一杯热水与一杯凉水，质量相同吗？不同】其实 ， 无论是“热水与凉水哪个重”还是“一斤盐加上一斤水能够得到两斤盐水” ， 这样的问题本质上都属于无聊的问题 ， 但如果我们借此去思考并认知质量与能量的关系 ， 那么这些问题就变得非常有意义了 。
推荐阅读
- 科学|中阳县北街小学：体验科学魅力
- 牛上|英媒文章：2021年最有趣的科学发现
- 曹志兴|90后教授曹志兴：最一流的基础科学来源于好奇心
- 审判|直接服务“三城一区”主平台，怀柔科学城知识产权巡回审判庭成立
- 生物地球化学过程|我国科学家发现第五条甲烷产生途径
- 孩子|“双减”后 科学实践课如何做好“加法”
- 生命科学学院|科技馆内感受科技魅力
- 牙膏管|太空跨年是什么体验？航天员在太空也能吃到家乡美食？| 科学密探
- the|美CDC缩短新冠隔离时间被指从遵循科学变成了遵循CEO们的意见
- 抗体|六大科学突破闪亮二〇二一