一噸木頭燒成灰,變輕了!那么木頭“減肥”減哪去了呢?這似乎違背了我們從小接受的質量守恒定律,實際上加上產生的氣體質量也不夠。這個問題涉及到了宇宙“管理”一切物質的方法,下面通俗聊聊到底怎么回事。
質量哪去了?
初中化學中有這么一個實驗,把燃燒的木炭放入密閉容器中,再倒入澄清石灰水,會發現石灰水變渾濁,因為石灰水吸收了木炭燃燒后生成的二氧化碳。
如果這個實驗全程都在一個密閉的容器中進行(理想狀態下石灰水把反應氣體都吸收了),那么反應前后質量相等嗎?實際上,還是不相等,因為反應過程還產生了光和熱,即能量。能量并不可能憑空出現,因為能量也需要守恒,原子彈爆炸告訴我們微小質量虧損會釋放出大量的能量,它們的關系是:
這是愛因斯坦的質能等價方程:虧損的質量△M乘以光速(c)的平方等于釋放的能量。木炭燃燒并沒有爆發出原子彈的威力,能量很小,而光速又很大,所以木材釋放光和熱損失的質量(△M = E / c^2 ),非常小,小到小數點后16位開外,普通的實驗是根本發現不了的。那么方程背后的意義是什么,為什么質量會和能量扯上關系呢?
為了原子,扯出了粒子
18世紀,科學家做了大量化學實驗,發現物質反應前后質量不變,因此有了質量守恒定律,至于原因就是質量虧損太小了,他們沒有察覺。
當時“原子是最小的粒子”的理論大行其道,反應前后,不可分割的最小粒子數量并沒有改變,因此質量也不可能改變,即守恒。
不過,說是這么說,但需要證明,要清楚了解原子到底是什么樣的。盧瑟福最先用α粒子轟擊金箔,希望從轟擊結果找出點蛛絲馬跡,結果一轟成名,發現原子由電子與原子核構成。
于是大量科學家加入了轟擊大潮,而且想法也越來越大膽,設備也在不斷升級,最后演變成了“大沖撞”,設備也變成了如今的高速粒子對撞機。
當然,錢不是白花的,實驗讓“原子論”徹底崩塌,反而冒出來上百種更小的粒子,隨著繼續“撞”發現原來“撞”出來一些粒子是復合粒,也就是沒完全拆開,例如發現的中子、質子其實是由更小的粒子構成。
最終,科學家得到了61種不可再拆分的粒子。有人可能說質量守恒換湯不換藥,無非是把反應前后的原子換成粒子,還是守恒。如果是這樣的話就沒有愛因斯坦質能方程什么事了。
質量就是能量
質量到底是什么?直到2012年才被希格斯“撞”出來,于是給了他個諾貝爾獎。基礎粒子自身都是零維沒有靜止質量的點粒子(波,波粒二象性),卻能構成三維的物質,包括你和我,源于它們之間發生了四種基本的相互作用,可以理解為上帝建立宇宙萬物的規則。
原子的質量主要來自于原子核,電子幾乎可以忽略不計。原子核的質量又來源于質子與中子,質子、中子又由三價夸克構成。
基礎粒子可以分成兩部分,就像蓋房子的材料,一部分是夸克、電子這樣的粒子屬于主材(墻磚、地磚、板材),另一部分是光子、膠子這樣這樣的屬于輔材(水泥、膠水)。輔材負責連接主材,但不能亂用,比如磚要用水泥,不能用膠水。
圖:四種基本相互作用圖解
帶電荷的粒子之間依靠交換光子進行相互作用,例如磁鐵同性排斥異性相吸,叫做電磁力。質子與電子都帶電,它們之間的相互作用就是電磁力。
原子核中同性的質子被束縛在一起也需要核內的強核力。以上所有相互作用,利用質能方程求出質量,再加上三價夸克與電子的自身質量的總和只占原子整體質量的1%。
另外99%的質量源于強相互作用,膠子就像輔材一樣束縛著三個夸克,原理類似于電荷,但夸克會變色,稱之為色荷,同樣可以通過強相互作用的能量求出質量。還有導致原子衰變的弱力以及引力,這里不贅述了。
不過,還有一個重要的問題沒有解決:如果質量是粒子與粒子間的相互作用,那么粒子本身質量是哪來的?如果這個問題不解決,相當于大家白玩一場,又回來了最開始的問題,粒子自身質量從哪來?
上面一開始說了所有基礎粒子自身是零維沒有靜止質量的粒子,它們自身想要具備質量必然還存在著什么與它們發生相互作用。
物理學家希格斯通過大型對撞機找到了“大部分主材都適用的輔材”——希格斯玻色子。
希格斯玻色子源于希格斯場的震動,整個宇宙就像一個希格斯人海,一些基礎粒子由于自身特性(比較出名),會被希格斯場的束縛,從而具備一定勢能。因此粒子自身具有的質量。有些粒子并不會受到希格斯機制制約,例如光子是個無名小卒,不被束縛,靜止質量為零,總是以恒定的光速運動。
木炭燃燒質能守恒
構成宇宙萬物的粒子就像一具具軀殼,由于相互作用,擁有了質量,本質其實是能量,木材同樣如此,即使反應后質量減小了,但是算上光和熱,質能是守恒的。
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