往壁炉里扔一根木头。一个小时后,只剩下一小把灰,比木头轻得多。其余的去哪儿了?变成”无”了吗?
这节课的傻问题是:**能无中生有吗?**或者反过来问:能让一样东西彻底消失吗?简短的回答是:不能。宇宙记着几本从不出错的账。东西会变形状、换地方、改样子,但账总是对得上。
这节课讲其中四本账:原子的账、能量的账、电荷的账,还有把质量和能量连在一起的那本,也就是著名的 E = mc²。
选一张牌:零基础选 ♣,不怕简单公式选 ♦,想看符号推导选 ♠。随时可以换。
什么都没丢:质量
新手
想想做菜。往炒蛋里放三个鸡蛋,炒蛋里就有三个鸡蛋。打散了、炒熟了、形状变了,但三个都在。不会冒出第四个,也不会少掉一个。
原子也一样。在化学反应里,比如做饭、燃烧、生锈,原子会分开,再换一种方式重新组合。但它们是同样的那些原子:一个都没有多出来,一个都没有丢。所以进去的东西和出来的东西一样重。
那木头呢?木头燃烧时会从空气里拿走氧气,而它几乎所有的原子都变成看不见的气体,从烟囱飘走了,也就是烟。壁炉里只剩下灰。如果能把火堆装进一个密封的袋子里,烧之前和烧之后各称一次,重量是一样的。
进阶
1789 年,安托万·拉瓦锡在研究葡萄汁怎样变成葡萄酒时,在《化学基础论》里写道:
“无论在人工操作中还是在自然界中,都没有任何东西是凭空产生的;可以把这一点当作原理:在每一次操作中,操作前和操作后的物质的量相等。“(本站译文)
这就是质量守恒定律。拉瓦锡甚至写了一个类似方程的式子:葡萄汁 = 碳酸气 + 酒精。今天我们用化学式来写。厨房燃气的主要成分甲烷是这样燃烧的:
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O
每种物质前面的数表示有多少个分子参加反应或生成。选这些数,是为了让两边每种元素的原子一样多,这叫配平反应。这里反应前后都是 1 个碳、4 个氢、4 个氧。
如果每个数代表 1 摩尔,质量就是把每种物质的1 摩尔的质量加起来(见原子那一课):16 克甲烷和 64 克氧气,生成 44 克二氧化碳和 36 克水。反应前 80 克,反应后 80 克。
关键在于在哪里称。这条定律在封闭系统里成立,也就是没有东西进出的地方。在敞开的壁炉里,氧气从空气中进来,气体又跑掉了,所以灰才那么轻。
技术
| ♦ 里的说法 | ♠ 里的写法 |
|---|---|
| 每种物质前面的数 | 化学计量系数 νⱼ(反应物取负) |
| CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O | Σⱼ νⱼ Xⱼ = 0,ν = (−1, −2, 1, 2)ᵀ |
| 两边每种元素的原子一样多 | A·ν = 0,A_kj 为物种 j 中元素 k 的原子数 |
| 配平反应 | 求 A 的零空间:维数 = 物种数 − rank(A) |
| 1 摩尔的质量 | 摩尔质量 Mⱼ = Σₖ mₖ A_kj,mₖ 为元素 k 一个原子的质量 |
| 封闭系统 | 与外界没有物质交换的系统 |
一个反应写成 Σⱼ νⱼ Xⱼ = 0,反应物的 νⱼ 为负,生成物为正。每种元素 k 守恒,就是对所有 k 有 Σⱼ A_kj νⱼ = 0,即 A·ν = 0。配平反应就是求 A 的零空间。
对甲烷来说,A 是 3 × 4 矩阵,秩为 3,所以零空间是一维的,反应在相差一个倍数的意义下唯一:ν = (−1, −2, 1, 2)。在拉瓦锡的发酵反应 C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ 中,有三种元素、三个物种,但秩是 2,同样只有一个解。当零空间的维数大于 1(物种数多于 rank(A) + 1)时,可能的反应不止一个,由化学而不是代数决定实际发生哪一个。
质量守恒是一个推论。由 Mⱼ = Σₖ mₖ A_kj:
Σⱼ νⱼ Mⱼ = Σₖ mₖ (A·ν)ₖ = 0
这里假设每个原子在分子内外质量相同。这并不精确:化学键的能量也有质量(第 4 部分),但误差只有 10¹⁰ 分之一,没有哪台天平看得出来。OpenStax 的说法是:物质总量没有可检测到的变化(Chemistry 2e,1.2)。
灰很轻,是因为其余的都从烟囱走了。什么都没消失,只是去了别的地方。
动手试试:把配方配平
在每种物质前面填一个数,直到两边每种元素的原子一样多。看天平:原子配平了,质量也就平了。先试厨房燃气,再试铁生锈。
能量会变形式,但不会被用掉
新手
爬到滑梯顶上。在上面,你因为站得高就有能量,哪怕一动不动。往下滑时,这份”高度的能量”慢慢变成速度:越往下,滑得越快。又因为你和滑梯在摩擦,有一部分变成了一点点热:如果用手刹车,手上就能感觉到。
把所有的加起来(剩下的高度、现在的速度、摩擦产生的热),每一刻的总和都一样。能量不会出现,也不会消失:它只是改变形式。
所以不存在不从别处拿能量就能给出能量的机器。我们说”用掉”能量,其实是把它变成了散到各处的热,这些热再也推不动任何东西。总量并没有变。
进阶
能量守恒定律说:在任何过程中,总能量都保持不变;能量可以改变形式,也可以从一个系统转到另一个系统,但总量不变(OpenStax,College Physics 2e,7.6)。能量的几种形式:
- 高度的能量,即重力势能:m·g·h,质量乘以重力加速度(g = 9.8 m/s²)再乘以高度。
- 运动的能量,即动能:½·m·v²,v 是速度。
- 热:从热的物体流向冷的物体的能量(见能量那一课)。
- 还有化学能、电能、光能……
举个例子:让 1 千克的东西从 10 米高处落下。在顶上,它有 1 × 9.8 × 10 = 98 焦的高度能量,没有运动能量。落到一半,49 焦和 49 焦。快落地时,98 焦全是运动能量:速度是每秒 14 米。撞到地面它就停了,这 98 焦变成了热和声音。
还有一种改变物体能量的方式:推它或拉它,这叫功。物体内部储存的能量(原子的振动、化学键)叫内能。加热它或对它做功,内能就会增加。所以没有哪台机器能不从别处拿能量就给出能量。
技术
| ♦ 里的说法 | ♠ 里的写法 |
|---|---|
| 内能 | U(状态函数) |
| 热 | Q > 0 表示热量进入系统 |
| 功 | W > 0 表示系统对外做功 |
| 总能量都保持不变 | ΔU = Q − W(热力学第一定律) |
| 运动的能量 | 动能 K(v ≪ c 时为 ½mv²) |
| 质量 | 质量 m,静能 mc²(c 为光速) |
| 没有哪台机器能不从别处拿能量就给出能量 | 第一类永动机不存在 |
| 在任何过程中 | 在 t → t + τ 下不变 ⇒ dE/dt = 0(诺特定理) |
在热力学里,能量守恒写成第一定律 ΔU = Q − W,Q 是进入系统的热,W 是系统对外做的功。OpenStax 称之为”以热力学中最有用的形式表述的能量守恒定律”(College Physics 2e,15.1)。一台机器如果在每个循环中(ΔU = 0)不吸热(Q = 0)却对外做功(W > 0),就违反了它:这就是第一类永动机。
在相对论里,只要把账算对,能量依然守恒:质量为 m 的物体,除了动能 K,还有静能 mc²(OpenStax,28.6)。于是 E = mc² + K。第 4 部分会讲它的后果。
为什么能量守恒?因为一种对称性。埃米·诺特在 1918 年证明:物理规律的每一种连续对称性,都对应一个守恒量。如果规律从 t 到 t + τ 不变(同一个实验今天做和明天做结果一样),能量就守恒。费曼在《物理学讲义》(I,52-3)里讲过这件事,还讲了另外两种经典对称性:空间的和转动的。
从不出错的账:电荷、质子和中子
新手
拿气球在毛衣上蹭一蹭,它就能粘在墙上。蹭的时候,一些带负电的电子从毛衣跑到了气球上。气球多了负电荷,毛衣正好少了同样多。
这就像两个玩家互相传牌:一个多了,一个少了,但桌上的牌总数不变。电荷不是被创造出来的,而是从一个地方转移到另一个地方。把气球和毛衣加在一起,总电荷还是零。
在原子那一课里你看到,质子数决定是哪种元素。在厨房里,就像做炒蛋一样,每种元素的原子都不会变。要改变元素,就得动原子核,那就不是化学了。但即使在那里,也有几本账照样对得上:总电荷,以及质子和中子加起来的总数。
进阶
电荷守恒定律说:在任何过程中,总电荷都保持不变(OpenStax,College Physics 2e,18.1)。两个物体互相摩擦时,一个得到的电荷就是另一个失去的电荷。
在化学里,电荷守恒要求有离子参加的反应在电荷上也要配平:一个钠原子失去一个电子,Na → Na⁺ + e⁻,反应前电荷是 0,反应后是 +1 − 1 = 0。
在核反应里,元素是可以变的。原子那一课里的碳-14 会放出一个电子而衰变(OpenStax,Chemistry 2e,21.3):
¹⁴C → ¹⁴N + e⁻ + 反中微子
原子核里的一个中子变成了一个质子:原来有 6 个质子,现在有 7 个,所以变成了氮。但有两本账依然对得上,它们也是配平任何核反应的规则(OpenStax,21.2):
- 质子 + 中子:反应前 14,反应后 14。电子和反中微子(一种不带电、几乎没有质量的粒子)在这里不算。
- **电荷:**反应前 +6;反应后 +7 − 1 = +6。
那如果一个质子或电子就这么凭空消失呢?人们找了几十年,从来没有见到过:就算会发生,电子平均也要等 10²⁸ 年以上,而宇宙的年龄大约是 10¹⁰ 年。
技术
| ♦ 里的说法 | ♠ 里的写法 |
|---|---|
| 总电荷 | Σq,各电荷 qᵢ 之和,守恒 |
| 质子 + 中子 | 重子数 B(重子 +1,反重子 −1) |
| 电子和反中微子 | 电子轻子数 Lₑ(e⁻ 和 νₑ 为 +1;e⁺ 和 ν̄ₑ 为 −1) |
| 反中微子 | ν̄ₑ |
| 原子核里的一个中子变成了一个质子 | n → p + e⁻ + ν̄ₑ(β⁻ 衰变):Z 从 6 变为 7 |
| 平均也要等 | 平均寿命 τ |
| 一个质子或电子就这么凭空消失 | 衰变道 e → νₑγ(中微子和光子)和 p → e⁺π⁰(正电子和中性 π 介子) |
| 从来没有见到过 | 90 % 置信水平下 τ 的下限 |
| 人们找了几十年 | 电荷:QED 的规范对称性;B:偶然对称性,大统一理论(GUT)预言它会被破坏 |
在粒子物理中,要分别检查三个数(OpenStax,University Physics 第 3 卷,11.2)。以 n → p + e⁻ + ν̄ₑ 为例:
| 反应前 | 反应后 | |
|---|---|---|
| Σq | 0 | +1 − 1 + 0 = 0 |
| B | 1 | 1 + 0 + 0 = 1 |
| Lₑ | 0 | 0 + 1 − 1 = 0 |
反应 n → e⁺ + e⁻ 守恒电荷和能量,但不守恒 B(1 对 0),所以不会发生。
实验下限(PDG 2024,Pich 和 Ramsey-Musolf 撰写的综述):
- **电荷:**τ(e → νₑγ) > 6.6×10²⁸ 年,来自 Borexino 实验(PRL 115, 231802, 2015)。大约是宇宙年龄的 4.8×10¹⁸ 倍。PDG 把电荷守恒和量子电动力学的规范对称性联系在一起。
- **重子数:**任意衰变道中 τₚ > 9×10²⁹ 年,τ(p → e⁺π⁰) > 2.4×10³⁴ 年。大统一理论预言 B 会被破坏,但至今没有看到任何信号。
所以化学里的”元素守恒”只是一个特例:没有核反应时,每个原子核都保持自己的 Z。有核反应时,守恒的是电荷和 B。
E = mc²:质量也是能量
新手
到这里,好像有两本分开的账:质量的账和能量的账。爱因斯坦发现,它们其实是同一本。质量是压缩得非常非常紧的能量。
有多少?多得惊人。仅仅 1 克质量,如果全部变成能量,够一个人吃大约 29000 年,或者让一个电水壶不停地烧大约 1400 年。
那为什么我们感觉不到?因为在日常生活中,几乎没有质量会转化。烧厨房燃气时,出来的东西比进去的轻了大约 80 亿分之一:这就是以热的形式离开的质量。没有哪台天平称得出来,所以在实际中拉瓦锡是对的。
那么无中生有呢?物质是可以造出来的,但不是从无中造:必须用能量把它全额买下来,而且它总是和一个电荷相反的”双胞胎”一起出现,让电荷的账保持为零。
进阶
公式是 E = mc²:质量 m 所携带的能量,c 是光速,恰好为 299 792 458 m/s。因为 c² 非常大,约为 9×10¹⁶ m²/s²,所以 1 克质量相当于 9×10¹³ 焦(OpenStax,College Physics 2e,28.6)。物体静止时的这份能量叫静能。
这条关系是双向的。物体得到能量,质量就增加;放出能量,质量就减少。消失的质量为 Δm = E / c²:
- 把 1 升水烧开,要给它 334 千焦(见能量那一课):它会重 3.7 纳克。
- 烧掉 1 摩尔甲烷会放出 890 千焦:80 克燃气加氧气会少 9.9 纳克,也就是 80 亿分之一。
在核反应里,这个比例已经大到可以测量。参加反应的质量中,有多少变成了释放的能量:
| 过程 | 占质量的比例 |
|---|---|
| 燃烧甲烷 | 1.2×10⁻¹⁰ |
| 铀-235 的裂变(把重核劈开) | 0.091 % |
| 氘和氚的聚变(把两个轻核合在一起) | 0.38 % |
| 物质遇到反物质 | 100 % |
至于”无中生有”:一束能量足够高的光,在原子核附近经过时,可以变成一个电子和一个正电子(电子的反粒子,带正电)。这叫电子-正电子对:总电荷还是零(OpenStax,18.1)。至少需要两个粒子的静能之和,即 1.022 MeV(能量那一课里的电子伏特,再乘以一百万)。
技术
| ♦ 里的说法 | ♠ 里的写法 |
|---|---|
| E = mc² | E₀ = mc²;一般情况下 E² = (pc)² + (mc²)²,p 为动量 |
| 烧掉 1 摩尔甲烷会放出 890 千焦 | 燃烧焓 ΔcH° = −890.7 kJ/mol |
| 光速 | c = 299 792 458 m/s(精确值) |
| 消失的质量 | 质量亏损 Δm = Σm_前 − Σm_后 |
| 释放的能量 | Q = Δm · c² |
| 一束能量足够高的光 | 光子 γ,m = 0,E = pc |
| 在原子核附近经过时 | γ + N → e⁻ + e⁺ + N:原子核 N 带走多余的动量 |
| 电子-正电子对 | e⁻ + e⁺,要求 E_γ ≥ 2mₑc² |
| MeV | 1 MeV = 1.602 176 634×10⁻¹³ J;1 u·c² = 931.494 MeV |
一般关系是 E² = (pc)² + (mc²)²;静止时(p = 0)变为 E₀ = mc²,对光子(m = 0)则是 E = pc(OpenStax,28.6)。爱因斯坦在 1905 年提出它,那篇论文只有三页,标题问的是:物体的惯性(质量)是否取决于它所含的能量(Ann. Phys. 323, 639)。他用的是别的字母:一个物体以辐射的形式放出能量 L,质量就减少 L/V²,V 是光速。
用 Q = Δm·c² 计算质量亏损:
- **甲烷燃烧:**ΔcH° = −890.7 ± 0.4 kJ/mol(NIST WebBook;OpenStax 给出 −890.8)。Δm = 8.907×10⁵ J / c² = 每摩尔 9.9×10⁻¹² kg,相对于 80.04 克反应物:1.24×10⁻¹⁰。
- **²³⁵U 的诱发裂变:**Q ≈ 200 MeV(OpenStax UP3,10.5)。Δm/m = 200 / [(235.0439 + 1.0087) × 931.494] = 9.1×10⁻⁴。
- **²H + ³H → ⁴He + n:**Q = 17.6 MeV(OpenStax UP3,10.6)。用 NIST 的质量,Δm/m = 17.6 / (5.0302 × 931.494) = 3.8×10⁻³。
电子对产生守恒电荷(0 = −1 + 1)和 Lₑ(0 = 1 − 1)。单个光子在真空中做不到:在这一对粒子的参考系里,总动量为零,而光子在任何参考系里动量都不为零(E = pc ≠ 0)。必须有第三个物体带走多余的动量,通常是原子核:γ + N → e⁻ + e⁺ + N。NIST 的 XCOM 表格计算的正是“在原子核场中”和在电子场中的电子对产生。反过来也是同一个道理:电子和正电子不能湮灭成单个光子(OpenStax UP3,11.2)。原子核很重,几乎不带走能量,所以阈值仍是 2mₑc² = 2 × 0.510 998 950 69 MeV = 1.022 MeV(CODATA 2022;HyperPhysics 给出相同的阈值)。所以”无中生有”做不到:能量要全额付清,电荷、B 和 L 的账都保持为零。
物质可以造。但要用能量全额付清,而且它总是带着一个电荷相反的双胞胎出现。
动手试试:质量里有多少能量?
选择怎么处理这些质量、用多少。看看有多少变成了能量,这些能量能让电水壶烧多久、够一个人吃多久。试试 1 克物质遇上反物质。
最后的挑战
三句话总结
- 在化学反应中,原子只是重新排列:一个都没有多,一个都没有少,所以进去的和出来的一样重。
- 能量也不会凭空产生或消失:它只改变形式(高度、运动、热……),“用掉”能量就是把它变成再也派不上用场的热。
- 电荷以及质子和中子的总数也总是对得上,而质量是高度浓缩的能量(E = mc²):物质可以造,但必须用能量全额付清。
参考资料
- Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, 第 1 卷(巴黎,Cuchet,1789),第 XIII 章:古登堡计划。对照:OpenStax, Chemistry 2e, 1.2。配平方程式:OpenStax, 4.1。
- 能量守恒和热力学第一定律:OpenStax, College Physics 2e, 7.6 和 15.1。对称性:Feynman, Lectures on Physics I, 第 52 章;Noether(1918),arXiv 上的英译本。
- 电荷:OpenStax, College Physics 2e, 18.1。核反应:OpenStax, Chemistry 2e, 21.2 和 21.3。重子数和轻子数:OpenStax, University Physics 第 3 卷, 11.2。
- 实验下限:PDG 2024, Tests of conservation laws;Borexino, PRL 115, 231802 (2015), doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802。
- E = mc²:Einstein, Ann. Phys. 323, 639 (1905), doi:10.1002/andp.19053231314;OpenStax, College Physics 2e, 28.6。光速和电子质量(CODATA 2022):c 和 mₑc²。电子对产生:HyperPhysics 和 NIST XCOM。
- 甲烷燃烧:NIST WebBook 和 OpenStax, Chemistry 2e, 5.3, 表 5.2。裂变和聚变:OpenStax, University Physics 第 3 卷, 10.5 和 10.6。原子质量:NIST,氢和铀。
**本课是怎样做的:**在 Claude 的帮助下,根据以上资料调研和撰写,并于 2026 年 10 月 15 日用第二个来源核对。没有单独链接的数字是根据这些资料以及原子和能量两课计算的。插图均为原创。