质能守恒,充满电的手机一定比没有电的手机更重一些吗?

 科普教育     |      佚名

很长一段时间里,科学家们在质量守恒与能量守恒之间徘徊,直到爱因斯坦提出了质能方程,人们终于不再在质量与能量之间纠缠,因为人们明白了两者本质上是相同的,于是就有了质能守恒。

既然质能守恒,质量与能量本质上是一回事,那么充满电的手机一定比没有电的手机更重一些吧?还真就是这么一回事。让我们来看一下质能方程:E=mc∧2,在这个公式里,E表示能量,m表示质量,c∧2为光速的平方。光速相对于任何参考系而言都恒定不变,所以在这个公式里只存在两个变量,也就是质量和能量,显然二者息息相关,一个变大,另一个也会随之变大,一个变小,另一个也随之减小。

质能方程中的E代表的是物体的总能量。

一个物体的总能量是由多个部分所组成的,比如我们通常所说的动能、重力势能等都属于物体能量的组成部分。一部手机,从没电的状态变为满电的状态,所蕴含的电能是不同的,也就是说充满电的手机的总能量增大了,所以根据质能方程可知,这部手机的质量也必然随之增大。同样的道理,相对于地面而言,一部放在10层楼上的手机就要比一部放在地面上的手机更重,因为前者拥有更大的重力势能,也就拥有更大的总能量,所以质量也会相应增大。再比如,如果你把手机扔出去,那它就比放在你口袋里的时候更重,因为此时它的动能增大了,所以质量也就相应地增加了。

既然满电的手机比没电的手机更重,为什么我们没有感觉呢?

这是因为虽然满电的手机更重,但这一点电能所增加的质量是极其微小的,以至于根本感觉不到,也称量不出来。也许你会提出这样的疑问:这一切都是建立在质能方程的基础之上,那么怎么能够确定质能方程就是正确的呢?其实早在100多年以前,爱因斯坦就用一个简单的思想实验对质能方程进行了证明,之所以采用思想实验,是因为受制于当时的技术条件,无法把这个实验真实地做出来。爱因斯坦的思想实验很简单,就是假设有一个密闭的箱子,在箱子里的一侧有一个光源。

假设这个光源位于箱子内的左侧,当这个光源打开后,会向右发射一个光子。

向右发射光子,等于施加了一个向右的力,根据动量守恒原理,箱子就会受到一个大小相等,方向相反的力,也就是说这个箱子会因为反作用力而向左移动。光子的动量等于光子的能量除以光速,我们假设光子的能量为E,那么光子的动量P(光)就等于E/C。根据动量守恒原理,箱子的动量应该是与光子相同的,只是方向相反而已,所以P(箱)也等于E/C。光子是以光速移动的,那么箱子的移动速度又是多少呢?很好计算,箱子的移动速度V就等于箱子的动量除以箱子的质量,也就是V(箱)=P(箱)/M(箱)。

根据上述已知的部分可以得到这样的结论:V(箱)=P(箱)/M(箱)=E/M(箱)C。

光子从箱子里的左侧出发,一直运动到箱子内的右侧,它的移动距离就等于箱子的长度,我们将其设为L。光子的移动距离显而易见,那么箱子的移动距离又是多少呢?箱子的移动距离就等于箱子的移动速度V(箱)乘以移动的时间。箱子的移动时间与光子的移动时间是相等的,而光子的移动时间就是移动距离L除以光速C,所以箱子的移动距离就等于V(箱)乘以L/C,V(箱)又可以表示为E/M(箱)C,所以箱子的移动距离就是E/M(箱)C乘以L/C,也就是:EL/M(箱)C∧2。

动量守恒原理告诉我们,两个力的动量是相等的,而物体的动量就等于物体的质量乘以速度。

根据这个原理,我们可以更进一步,不仅物体的质量乘以速度是守恒的,物体的质量乘以移动距离也应该是守恒的。根据这一理论,光子的质量M(光)乘以移动距离L就应该等于箱子的质量M(箱)乘以箱子的移动距离,所以就可以表示为:M(光)L=M(箱)X EL/M(箱)C∧2,将这个等式简化一下就变成了E=M(光)C∧2,至此,质能方程就得到了证明。现在我们无需再怀疑了,满电的手机就是要比没电的手机更重一些。

来源:科学信仰



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