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一斤水中加入一斤鹽,難道不是兩斤總重嗎?這隱藏著什么奧秘?_

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本文參加百家號#科學了不起#系列征文賽。

這問題隱藏了物質本源的奧秘。在現實生活中,你無法準確地稱出一斤肉,或一斤米,除了精度,重力還涉及到環境溫度問題,但誤差實在太小,你要拿著做實驗的態度跟攤主討價還價,純屬沒事找事。

如果你做這個實驗得到的混合物,放在稱上的示數必然是2斤。因為鹽與水在整個實驗過程中并沒有發生過任何質量損失,即質量守恒。并且整個溶解過程只是物理變化,并未涉及化學反應,從微觀角度原子數量也沒有出現增多或減少。

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即使是換一種可以與水發生反應的鹽,只要容器是密閉的,不讓任何氣體溢出,沒有任何物質逃逸,那么容器內的質量也是兩斤。但如果真的細究起來,問題并沒有那么簡單,就像文章開頭說的:你難以得到準確的一斤,哪怕是水,一切都是理想狀態下的。因為質量就是能量,當環境溫度變化,質量也會發生變化。

美聯儲鮑曼:如果通脹沒有降溫,仍有可能“大幅”加息:金色財經報道,美聯儲理事鮑曼(Michelle Bowman)周三表示,如果高通脹率沒有開始減弱,她將繼續支持積極的利率上升。她說:“通貨膨脹率太高了,我堅信,將通貨膨脹率拉回到我們的目標,是實現價格穩定和在可持續基礎上實現最大就業目標的一個必要條件。”

鮑曼表示,通貨膨脹的情況將決定美聯儲的下一步計劃。如果沒有看到通脹率下降的跡象,我的觀點仍然是,聯邦基金利率目標范圍內的可觀增長應該仍在考慮之列。但她也表示,如果通貨膨脹開始降溫,放慢加息步伐是合適的。

此外,鮑曼稱,為了以持續和持久的方式使通貨膨脹率下降,聯邦基金利率將需要升至一個限制性水平,并在那里保持一段時間。(路透社)[2022/10/13 14:26:08]

物質的質量時刻在變化

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任何實驗都是在“控制變量”的情況下實施的,對于一些可以忽略的誤差,做不到,也沒必要精益求精,只要保證不會影響實驗結果即可。

如果非要計較到小數點16位開外,那么一斤水加一斤鹽難以得到兩斤,因為實驗過程我們只考慮了質量變化,并沒有考慮“另一種質量”的變化。

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1905年,人類尚未清楚原子的結構,也不知原子核是何物,愛因斯坦就發表了四篇論文,第三篇為《狹義相對論》。如果說牛頓力學可以統領宏觀層面,那么狹義相對論則具有普適性,無論是天體的運動,還是基礎粒子間的相互作用。而第四篇是基于《狹義相對論》,也是對其的一項補充,簡單稱為:質能等價,也就是那個經典的方程:

很多人解讀這個方程式,總是描述為質量可以轉化成多少能量,這其實是一種誤讀。愛因斯坦論文中并未用到任何與“轉化”相關的字眼,反而強調質量就是能量的一種形態。這就像人民幣、美元都是錢,你不能說我要把美元或人民幣轉換成多少錢,因為它本身就是錢。你也可以說成能量是質量的另一種形式,總之它們就是同一種東西,相互依存,只存在數值上的變化,不存在轉化。

順著愛因斯坦的思路你會發現,如果能量產生了變化也就意味著質量發生了變化。例如:一斤沸水倒入一斤鹽,封閉起來,水會不斷向外輻射能量,慢慢的溫度會降到與室溫相同,水失去能量的過程實際上就是損失質量的過程,那么實驗的結果就不再是兩斤,損失的質量為m=E/c^2,E為混合物向外輻射的總能量,c為光速,雖然得出m非常小,但并不意味著沒有。當然,從控制變量的角度,這點質量損失是可以忽略不計的。

圖:愛因斯坦質能方程原文《物理的慣性同它所含能量有關嗎?》第三頁也是最后一頁

用愛因斯坦論文原文結尾總結的幾句話來說:

如果一個物體以輻射的形式釋放能量L,則其質量減小L/c^2。物體的質量是衡量其能量含量的指標;如果能量變化L,質量也同樣變化L/9×10^20,能量以爾格計算,質量以克計算。輻射會使發射體與吸收體之間發生慣性對流。

當你清楚了這點,一斤水與一斤鹽的問題將不再那么簡單,在宏觀下你可以回答等于兩斤,但出于質能守恒,只要實驗過程并非完全密封絕熱,那么結果就不可能是兩斤。

為了方便計算與應試,教材中通常會設定公式的使用范圍,這個范圍并非“適用”范圍。數字我們可以省略與忽略,但在科學范疇背后的發生了什么是不可忽略的。這個就像有人知道勾三股四弦五,卻不知道該如何證明勾股定理,也不清楚公式這是怎么來的,最終只能站在巨人的肩膀上,走不出自己的創新之路。

當你深入到量子力學中,你會發現實際上質能等價的公式就是在描述粒子間的相互作用強度。一切基礎粒子本無質量,它們都是零維的粒子,它們稱不上物質,這些粒子由于四種基本相互作用才有了原子結構、物質的三維結構。這是物質從無到有的過程,也是從能量到質量的過程,因此才有質能等價。

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