“根據(jù)狹義相對(duì)論，質(zhì)量和能量是同一事物的不同表現(xiàn)形式，對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)比較陌生的概念。”——愛因斯坦
理論上沒錯(cuò)，而且在理論中也可以將一枚粉筆完全轉(zhuǎn)化為純能量。不過(guò)現(xiàn)實(shí)中卻很難辦到。具體原因我們下面詳細(xì)分析。
愛因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們，宇宙的本質(zhì)其實(shí)就是能量，而我們所看到的任何物質(zhì)結(jié)構(gòu)所具有的質(zhì)量屬性，其實(shí)只是能量的不同表現(xiàn)形式而已。而一個(gè)物體所具有的總能量等于靜止質(zhì)量中所包含的能量加上其動(dòng)能。這里需要強(qiáng)調(diào)的一件事是，我們經(jīng)常會(huì)聽說(shuō)一個(gè)質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，其質(zhì)量就越大，如果物體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)限接近光速，那么其質(zhì)量會(huì)變的無(wú)窮大。
這個(gè)說(shuō)法其實(shí)就是相對(duì)論里的質(zhì)速關(guān)系，而這個(gè)質(zhì)量的增加其實(shí)就是物體動(dòng)能的增加所變現(xiàn)出來(lái)的物質(zhì)總能量的增加，而不是真的質(zhì)量會(huì)增加。因?yàn)橘|(zhì)量這個(gè)物理量是一個(gè)物體所固有的本質(zhì)屬性，并不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)速度的變化而變化。
只不過(guò)是為了方便理解，我們以前將物體動(dòng)能的增加所帶來(lái)的能量增加描述成為了質(zhì)量的增加，不過(guò)這已經(jīng)是個(gè)比較陳舊過(guò)時(shí)概念了，我們現(xiàn)在一般不提相對(duì)論質(zhì)量，只說(shuō)物體所具有的靜止質(zhì)量和動(dòng)能，如果再提質(zhì)量的增加，就會(huì)造成很多人的誤解。
E=mc2 這個(gè)簡(jiǎn)單的公式十分簡(jiǎn)潔的告訴了我們一個(gè)靜止的質(zhì)量物體中包含了多少能量，如果將這些質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化能釋放多少能量，也告訴了我們需要多少能量才能創(chuàng)造出相應(yīng)質(zhì)量的物質(zhì)。我們?nèi)祟惸壳八莆盏哪芰抠|(zhì)量之間的相互轉(zhuǎn)化的方式最多最常見的就是化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)和粒子加速器。
其中化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)是物質(zhì)釋放能量的過(guò)程，而在粒子加速器中是我們?nèi)祟惸壳叭藶橛媚芰縿?chuàng)造物質(zhì)的過(guò)程，例如，我們同時(shí)加速兩個(gè)質(zhì)子使其達(dá)到非常接近光速的速度，那么這兩個(gè)質(zhì)子除了自身的靜止質(zhì)量以外，也會(huì)擁有非常大的動(dòng)能，如果將這兩個(gè)質(zhì)子相撞，我們就會(huì)得到三個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子，如果我們把創(chuàng)造出來(lái)的粒子的動(dòng)能加起來(lái)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們所擁有的動(dòng)能要比之前兩個(gè)質(zhì)子的動(dòng)能小的多，那么損失的動(dòng)能去哪了？其實(shí)就是轉(zhuǎn)化為了物質(zhì)，也就是一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子，這個(gè)損失的能量就等于質(zhì)子和反質(zhì)子的質(zhì)量乘以光速的平方。
這就是能量創(chuàng)造物質(zhì)的過(guò)程，下面再說(shuō)物質(zhì)質(zhì)量到能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。
先說(shuō)下化學(xué)反應(yīng)
化學(xué)反應(yīng)是人類應(yīng)用最多、掌握的最早的物質(zhì)和物質(zhì)之間的反應(yīng)，其中包括放熱和吸熱反應(yīng)，當(dāng)然我們?nèi)祟愔饕獞?yīng)用的是放熱反應(yīng)，因?yàn)槲覀冃枰獜奈镔|(zhì)中獲取能量，而且我們?nèi)祟惍?dāng)今社會(huì)主要的能源供應(yīng)也是化學(xué)燃料的燃燒。
以前我們認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程不存在反應(yīng)物和生成物之間質(zhì)量的缺失，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)參與反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量也就是原子的數(shù)量、種類并沒有發(fā)生任何的改變，改變的只是分子結(jié)合的形式，也就是說(shuō)反應(yīng)前物質(zhì)中有多少種類的原子，以及這些種類原子的數(shù)量都不會(huì)發(fā)生變化，這就是我們高中時(shí)，配平化學(xué)反應(yīng)式的原則。
因此我們當(dāng)時(shí)也認(rèn)為物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的。這其實(shí)是我們科學(xué)發(fā)展階段認(rèn)知的局限性，現(xiàn)在我們知道，化學(xué)反應(yīng)只會(huì)發(fā)生在原子的電子層面，而決定原子種類、數(shù)量的原子核并不會(huì)在化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生反應(yīng)，不過(guò)原子外層電子結(jié)合方式的改變，也就是化學(xué)鍵的斷裂和重組是化學(xué)反應(yīng)中釋放能量的關(guān)鍵。在這個(gè)過(guò)程中能量的釋放，也會(huì)讓物質(zhì)損失極小的質(zhì)量，一般很難察覺。因?yàn)楫吘箵p失很少的質(zhì)量乘以光速的平方，就會(huì)帶來(lái)非常可觀的能量。
不過(guò)粉筆的主要成分為碳酸鈣（石灰石）和硫酸鈣（石膏），或含少量的氧化鈣，硫酸鈣十分穩(wěn)定，不宜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳酸鈣、氧化鈣可以和酸、水發(fā)生反應(yīng)，不過(guò)這點(diǎn)物質(zhì)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)釋放的能量微乎其微?；究梢院雎圆挥?jì)。
再說(shuō)下核反應(yīng)
原子核中蘊(yùn)含著巨大的能量，主要來(lái)自強(qiáng)力所提供的結(jié)合能。例如通訊，在太陽(yáng)中每時(shí)每刻都在發(fā)生著核聚變反應(yīng)，每秒鐘會(huì)有4×10^38個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)楹ず耍谶@個(gè)過(guò)程中總共會(huì)損失400萬(wàn)噸的質(zhì)量，而這些質(zhì)量就會(huì)以光子和中微子的形式輻射出去。
這里有個(gè)問題就是，四個(gè)質(zhì)子跟一個(gè)氦核之間為何會(huì)存在質(zhì)量差？我們知道氦核中兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，而中子的質(zhì)量比質(zhì)子還要重，那為何它們結(jié)合在一起反而比四個(gè)質(zhì)子還輕呢？這其實(shí)就是結(jié)合能的問題，當(dāng)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的時(shí)候，就會(huì)在強(qiáng)力的作用下被束縛成為一個(gè)更加緊湊的結(jié)構(gòu)通訊，并且會(huì)損失質(zhì)量。氦核比四個(gè)質(zhì)子輕了0.7%，損失的質(zhì)量就通過(guò)E=mc2釋放了出來(lái)。
粉筆的成分我們剛才已經(jīng)說(shuō)了，其中包含碳、氧、鈣、硫元素，這些元素都在鐵元素以下，這說(shuō)明它們可以繼續(xù)通過(guò)聚變的形式釋放能量，不過(guò)聚變生成的元素越重，釋放的能量也就越小，而且我們?nèi)祟惸壳耙矝]有掌握可控的核聚變，隨意想要通過(guò)核能利用粉筆中蘊(yùn)含的能量是行不通的。
不過(guò)還有希望，反物質(zhì)湮滅
除過(guò)核能以外，在宇宙中還存在一種能量釋放的極限形式，并且這種形式不會(huì)生成任何的反應(yīng)廢料，也就是說(shuō)可以將反應(yīng)物的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)化為純能量，就是通過(guò)普通物質(zhì)與其反物質(zhì)版本進(jìn)行簡(jiǎn)單的接觸后湮滅。
如果我們創(chuàng)造出反碳、反氧、反鈣、反硫這些元素，就能實(shí)現(xiàn)一枚粉筆的質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化為能量，不過(guò)這只是理論上可行，因?yàn)槲覀円雱?chuàng)造出這些元素的反版本，就必須要有相應(yīng)的創(chuàng)造能量，既然我們已經(jīng)有了這些能量，為何還要利用湮滅的方式再次獲得同樣的能量呢？這不就等于脫了褲子放屁，多此一舉。
而且正反物質(zhì)之間的湮滅是瞬間發(fā)生的，無(wú)法進(jìn)行有效的控制，能量集中快速的釋放會(huì)給地球造成毀滅性的災(zāi)難，以廣島原子彈爆炸為例，其損失質(zhì)量約為0.6~0.7g，就造成了數(shù)十萬(wàn)人的死亡，而一枚粉筆大概重200克，你仔細(xì)品品！
總結(jié)下
通過(guò)物質(zhì)損失質(zhì)量來(lái)釋放能量是我們?nèi)祟惈@取能量的方式，而我們現(xiàn)在還局限在化學(xué)能源上，核能也沒有完全的掌握。所以理論是美好的，現(xiàn)實(shí)往往很殘酷。
