一個氫原子的質(zhì)量比組成它的一個質(zhì)子和一個電子的總質(zhì)量要小，你沒看錯，確實(shí)要小一些。但怎么會有東西比組成的各部分的總質(zhì)量還輕呢？

E=MC2可能是所有物理學(xué)中最著名的方程，但在1905年的原版中，愛因斯坦寫的實(shí)際上是另一種形式，他寫的是M=E/ C2，這是因?yàn)樽鳛槲锢韺W(xué)的基石，它的核心在于告訴我們質(zhì)量是何含義。

你會經(jīng)?？吹竭@樣的描述：質(zhì)量是能量的一種形式，或者質(zhì)量是凍結(jié)的能量，又或者質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化成能量，這些表述都不怎么正確。

在日常生活中那些看似奇怪的例子開始能幫助我們更好地理解M=E/ C2的含義。舉一個簡單的粒子，即使兩個物體由相同的成分構(gòu)成，它們通常不會有相同的質(zhì)量，物體的質(zhì)量并不是其各部分的質(zhì)量之和，相反，一個復(fù)合物體的總質(zhì)量取決于以下兩個方面。第一，其各部分的排列方式；第二，這些部分在物體中的運(yùn)動方式。

兩個具體的例子。設(shè)想兩個上好發(fā)條完全一致的手表，其中一個一直在走動而另一個停止不動。愛因斯坦曾經(jīng)說過，走動著的質(zhì)量會大一些，為什么呢？

走著的表中指針和齒輪都在運(yùn)動，所以它們有動能，同時卷緊的彈簧還有勢能，并且手表的運(yùn)動部件之間由于摩擦產(chǎn)生了一些熱量，使它們的原子運(yùn)動得更劇烈了一點(diǎn)，這就是熱能，或者在更微小的尺度下等價于無規(guī)則運(yùn)動的動能。

而M=E/ C2的意思就是，表中零件的所有動能，勢能和熱能本身也作為手表質(zhì)量的一部分，只要把這些能量加起來除以光速的平方，得到的就是動能，是勢能和熱能部分對總質(zhì)量的貢獻(xiàn)，但因?yàn)楣馑偬?，這個額外質(zhì)量非常小，微乎其微可以忽略不計(jì)。愛因斯坦也因此說過，這就是為什么大部分人都錯誤地認(rèn)為質(zhì)量是物體中“物質(zhì)多少”的指標(biāo)！

只是在日常生活中，我們察覺不到這些微小的差異，但它確實(shí)存在，如果你有足夠精確的稱，這是可以測量出來的！

但要說因?yàn)橹羔樤谶\(yùn)動使這根指針的質(zhì)量變大了，這只是過時的說法。多數(shù)現(xiàn)代物理學(xué)家提到質(zhì)量都是指靜止?fàn)顟B(tài)下，或者是“靜質(zhì)量”，所以現(xiàn)在“靜質(zhì)量”這個詞已經(jīng)不用了（直接說質(zhì)量）。

這樣規(guī)定的理由很多。其中，所有觀測者一致認(rèn)為靜止質(zhì)量是一種屬性，而我們現(xiàn)在討論的M=E/ C2的M就是靜止質(zhì)量，你可以把質(zhì)量當(dāng)作加速物體難以程度的標(biāo)志，或者物體所受重力大小的指標(biāo)。但不管怎么看，一個走著的表總是比完全一樣但停著的表質(zhì)量大。

再舉個例子，在你打開一個手電筒時，它的質(zhì)量就立即開始減小，為什么？

光攜帶者能量，而這些能量是原本儲存在電池里的，作為手電筒質(zhì)量一部分的電化學(xué)能，這些能量散發(fā)出去就不再能稱到質(zhì)量了。如此，太陽本質(zhì)上就是個大型手電筒，因?yàn)樗舶l(fā)光，其質(zhì)量每秒減小40億千克。

不用擔(dān)心這個，地球還是照常運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)樘柮棵雭G失的質(zhì)量只是太陽總質(zhì)量的10的21次方分之一。但那算不算太陽將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量呢？

并不是！日光中的能量是在消耗組成太陽的粒子的動能和勢能前提下產(chǎn)生的，就在那束光發(fā)射之前，太陽里作為質(zhì)量一部分的動能和勢能還大一些，太陽每秒損失的這40億千克質(zhì)量其實(shí)只是其組成粒子動能和勢能的減小，我們所稱重的一直都是物體中粒子的能量，只是我們沒注意到而已。

還有一個例子。假設(shè)我拿著一只手電筒在天秤上一個四周為鏡面的封閉盒子中，如果我打開手電筒，秤的讀數(shù)會改變嗎？

并不會。對手電來說，它的質(zhì)量會減小，但整個盒子的質(zhì)量將保持不變。雖然稱測得的電化學(xué)能變少了，但它同時也測出了沒能離開盒子的等量光能增加。即使光本身沒有質(zhì)量，如果你能在盒子中把它提取出來，它所攜帶的能量仍然以M=E/ C2的形式構(gòu)成了盒子的總質(zhì)量，所以秤的讀數(shù)不會變。

但更有趣的在后面。

在剛才的這些例子中，物體的質(zhì)量都比組成它的各部分質(zhì)量之和要大，文章開頭我輸哦的一個氫原子的質(zhì)量比組成它的一個質(zhì)子和一個電子的質(zhì)量小呢？這又是為什么呢？

因?yàn)閯菽芸梢詾樨?fù)。想象一下，質(zhì)子和電子在它們相距無限遠(yuǎn)的時候勢能為零，因?yàn)樗鼈兿嗷ノ?dāng)它們靠近時，其電勢能就會降低，這跟靠近地表時你的重力勢能會下降是一個道理，因?yàn)榈厍蛞矔?，所以氫原子?nèi)電子和質(zhì)子的勢能是負(fù)的。

而氫原子內(nèi)的電子因?yàn)閲@著質(zhì)子旋轉(zhuǎn)而有正的動能，但結(jié)果顯示勢能負(fù)的很大，動能和勢能之和還是負(fù)的，因此M=E/ C2中的M也是負(fù)的，所以氫原子的總質(zhì)量會小于組成它各部分質(zhì)量之和！

實(shí)際上，除了某些特殊情況，周期表上所有原子的總質(zhì)量都比組成它們的質(zhì)子，中子和電子的質(zhì)量要小，分子也是一樣，一個氧分子的質(zhì)量比組成它的兩個氧原子小，因?yàn)橐坏┬纬苫瘜W(xué)鍵，這些原子的動能和勢能之和就變成負(fù)的了！

那質(zhì)子和中子本身的質(zhì)量呢？它們是由一種叫做夸克的物質(zhì)組成，夸克的質(zhì)量比質(zhì)子或中子的質(zhì)量小2-3千倍，那么質(zhì)子的質(zhì)量又是哪里來的呢？

基本上是來自于“夸克勢能”。那么問題又來了，電子和夸克的質(zhì)量又是來自哪里呢？至少在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中它們不再有更小的下層結(jié)構(gòu)，那怎么解釋它們的質(zhì)量呢？

這是個微妙的問題。簡單地說，你可以把它們的質(zhì)量也當(dāng)作是對各種勢能的一種反映。比如，伴隨著電子和夸克與希格斯場作用而形成的勢能，又或者與它們自身產(chǎn)生的電場相互作用而形成的勢能，對于夸克則是與膠子的相互作用。

那么物質(zhì)與反物質(zhì)的湮滅該如何解釋呢？這難道不是物質(zhì)被“轉(zhuǎn)換”成能量了嗎？

同樣不是，甚至這一過程都可以用一種方法概念化成一種純粹的一種能量到另一種能量（動能，勢能，光能等）的轉(zhuǎn)變，而根本不需要什么質(zhì)能轉(zhuǎn)換，事實(shí)上你不一定非得將質(zhì)量“轉(zhuǎn)換”成能量。

也可以這樣說，我們所說的質(zhì)量根本不是一個東西，它是一種屬性，而屬性是物體各種內(nèi)線能量的表現(xiàn)形式。如此看來，雖然從物質(zhì)角度把質(zhì)量當(dāng)作“量的多少”的角度是不準(zhǔn)確的，但可以把它當(dāng)作能量多少的度量！所以，你每次稱體重的數(shù)值其實(shí)是你的總能量，只是你沒有發(fā)現(xiàn)而已！