宇宙是什么

4. 质量守恒定律的“破绽”

  质量守恒定律的“破绽”确实是划时代的发现。毕竟人们一直认为物质的质量是不会改变的。例如，一辆汽车因交通事故严重受损，如果将事故汽车的零件（从车身、发动机到前挡风玻璃的碎片等所有零件）全部收集起来，那么其质量应该与受损前的汽车相同。根据质量守恒定律，在日常生活中任何人都会觉得这是理所当然的。

  但是，当我们在《不列颠百科全书》中查询“质量”的词条时，则会看到下面的内容。

  在很长一段时间里，物质的质量被认为是恒定不变的。根据“质量守恒定律”，无论如何改变物质的结构，其质量的总和都不会出现变化。（中略）1905年，爱因斯坦的狭义相对论颠覆了人对质量的看法。质量并非绝对不变的。物质的质量等同于能量，它可以转换为能量。质量已经不再是恒定不变的了。

  百科全书里的行文一般都是客观的语气，但没想到该书的编写者会用如此兴奋的口吻来撰写“质量”这个词条，其激动的心情溢于言表。这是因为爱因斯坦的E=mc²确实是伟大的发现，伟大到足以让百科全书的编写者失去平常心。

  质量转换为能量究竟是怎么回事呢？

  例如，我们将原子核分解，然后分别测量质子和中子的质量，就像去逐一测量受损汽车的各个零件那样。因此，质子与中子的质量之总，应该与原子核的质量相等。

  但是，实际结果显示，质子和中子的质量之和比原子核重。这是因为当质子和中子组成原子核时，部分质量会转变为“结合能”（binding energy），所以质子与中子结合后的质量之和（即原子核的质量）会变轻。对于质子和中子而言，这种变轻的状态能够维持原子核的稳定。像这样，粒子释放能量之后质量变轻的现象叫作“质量亏损”。

  1932年，英国的考克饶夫和沃尔顿的实验率先呈现了“质量亏损”的现象。该实验在世界上第一台粒子加速器中，用质子（氢的原子核）轰击锂的原子核，成功地实现了原子核的转变。

  这个实验得出了两个令人震惊的结果。

  第一，锂（3个质子）变成了氦（2个质子）。这是人类首次了解到元素发生变化的现象。人们曾经认为“炼金术”是不可能实现的，不过在原理上是可以用铅炼出金的。但是，这种“炼金”转换实验需要花费巨大的费用，所以还不如直接拿钱去买黄金更划算。

  第二，质量变成了能量。与撞击前相比，撞击后粒子的整体质量减少了。减少的质量转变为氦脱离之时的运动能量。