質量和能量

谷銳譯 原文︰Slaven

除了長度收縮和時間膨脹以外，相對論還有許多推論。其中最著名、最重要的是關于能量的。

能量有許多狀態。任何運動的物體都因其自身的運動而具有物理學家所謂的“動能”。動能的大小和物體的運動速度及質量有關。（“質量”非常類似于“重量”，但並不完全相同）放在架子上的物體具有“引力勢能”。因為如果架子被移掉，它就（由于引力）具有獲得動能的可能。

熱也是一種形式的能，其最終可以歸結于組成物質的原子和分子的動能，此外還有許多其他形式的能。

把上述現象都和能量聯系起來的原因，即它們之間的聯系，是能量守恆定律。這個定律是說，如果我們把宇宙中全部的能量都加起來（我們可以用象焦耳或千瓦時這樣的單位定量地描述能量），其總量永不改變。此即，能量從不會產生或消滅，盡管它們可以從一種形態轉化為另一種形態。例如，汽車是一種可以將（在引擎的汽缸中的）熱能轉化為（汽車運動的）動能的設備；燈泡（可以）將電能轉化為光能（這又是兩種能的形式）。

愛因斯坦在他的相對論中發現了能量的另一種形式，有時被稱作“靜能量”。我已經指出一個運動物體由于其運動而具有了能量。但愛因斯坦發現，同樣一個物體在其靜止不動的時候同樣具有能量。物體內靜能量的數量依賴于其質量，並以公式E＝mc²給出。

由于光速是如此之大的一個數，一個典型物體的靜能量與其所具有的其他類型的能量根本不可相提並論。但這並不重要，因為日常生活中物體的靜能量就是保持“安靜”的狀態，並且不會被轉化成我們可以注意到的其他形式的能，如熱能或動能。在核電站、原子武器和太陽中有相對很少一部分靜質量被轉化為其他形式的能，但對于大多數情況而言，靜能量通常不會被注意到。

一個物體的動能和靜能量的總和也可以用數學公式非常容易地表述如下︰
E＝mc²γ

注意，在日常的速度中，γ大約等于1。因此靜、動能量之和近似等于單一的靜能量。換句話說，在日常速度中，靜能比動能大得多。然而，當速度非常接近光速時，γ可以比1大很多（靜能量只與物體的質量有關，而與其運動與否無關）。這對于在芝加哥附近的費米實驗室和瑞士邊界的CERN實驗室中（使用）粒子加速器的物理學家來說非常重要。