一杯热水与一杯凉水,质量相同吗?不同

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。

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。

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