翻译｜将能量转化为物质：它的真正含义

你肯定熟悉这个流行的公式：E=mc^2，但你知道它的意思吗？如果你经常读流行科学书籍，或者关注物理和化学课程，你可能已经知道它意味着质量和能量是等价的。但这也不一定是你想的那样。

首先，我们需要区分质量和物质。质量是一个与力和动量等概念相关的可测量的量。一个物体的质量越大，以同样的速度加速所需要的力就越大。

物质，在我们对物理学的理解中，并不一定像我们想象的那样容易定义。物质不一定是固体(它可以是液体、固体、气体或等离子)，甚至也不一定是“有形的”(中微子是物质，但它们几乎能像幽灵一样穿过一切)。

用现代物理学定义物质的最好方法是说它具有以下属性：

它是由费米子组成的，费米子是自旋为“半整数”的基本粒子。虽然基本粒子并不真的“自旋”，但这是一个有用的解释，因为它们确实携带一定数量的“角动量”，足够的角动量会导致物体自旋。

它们的速度被限制在低于光速的范围内。

它们在不运动的时候有质量。

没有两个费米子能占据完全相同的量子态。例如，当两个电子在一个原子周围振荡时，它们携带同样的能量，就不可能有相同的自旋。所有的电子都必须有相同的自旋量，所以它们必须以相反的方向自旋。

为什么区分质量和物质如此重要？因为能量不能在物理上转化为质量，但它可以在物理上转化为物质。

方程E=mc^2并没有告诉我们，质量和能量可以在物理上相互转化。相反，它说它们实际上是相同的，区分它们没有意义。为了方便起见，我们用一种单位来表示质量，用另一种单位来表示能量，但它们实际上是一样的。

例如，当一个原子吸收一个中子时，它就会释放出伽马射线(能量)。这种伽马射线的损失将使原子的实际质量减少。这一现象在2005年被证明是精确到0.0004%。此外，如果这条射线被另一个原子吸收，就会导致原子的质量增加。

当然，关于E=mc^2需要注意的一点是c是光速，一个非常大的数字。所以我们会考虑少量的质量，我们会考虑大量的能量。但是，所有形式的能量都是质量，所有形式的质量都是能量。

有些人错误地认为质能等效性打破了质量和能量守恒定律，将它们改写为解释一个定律如何转化为另一个定律的新定律。相反，它解释说，质量和能量都不能被创造或消灭，但它们是相同的。

当然，定义能量本身也很重要。和质量一样，能量不是一种机制或某种类型的粒子，它是一个可测量的量。能量测量系统做功的能力，功的定义是力乘以距离。

当你推一块巨石上山时，你是在通过做功将食物的能量转化为动能。反过来，当巨石与地面摩擦时，它会将这种动能大部分转化为热量。它通过在地面做功来实现这一点，将其能量转化为数十亿微小原子的动能。

我们所学到的是我们也可以将能量转化为物质。这是在每天的粒子加速器上完成的。粒子被加速到接近光速，因此它们积累了相对较大的动能。然后粒子相互碰撞。这种碰撞将动能转化为物质，这就是我们能够发现各种新的基本粒子的原因。

希望你们现在能明白为什么物质粒子在不运动的时候有质量，这被称为'静止质量'由于能量和质量是等价的，运动产生动能，运动产生质量。

同理，物质也可以转化为能量，这就是核弹和发电厂的工作原理。