畅游科学海洋，共寻宇宙之妙，大家好，我是南城~
今天我们来聊一聊一个经典的物理学公式——E =mc²。
在我们用来描述宇宙的所有方程式中，也许最著名的方程式E = mc²也是最深刻的。
它是爱因斯坦于100多年前首次发现的，它教会了我们许多重要的事情。我们可以将质量转化为纯能量，例如通过核裂变，核聚变或物质反物质湮灭来完成。我们可以仅凭纯粹的能量来制造粒子（和反粒子）。而且，最有趣的是，它告诉我们，任何有质量的物体，无论其温度有多低，速度有多慢或是被隔离开，都始终具有一定的内在能量，我们将永远无法摆脱它。
但是这种能量从何而来呢？这就是Rene Berger想知道的，他问：
我的问题是，在方程E = mc²中，“ m ” 中的能量从何而来？
让我们以最小的尺度潜入内部物质以进行发现。
我们需要做的第一件事是了解方程 E = mc²，这意味着分解其中的每个项。
E代表能量：我们正在考虑的粒子（或一组粒子）中包含的总能量。
m代表质量：我们正在考虑的粒子的总静止质量，其中“静止质量”是指未运动且未通过任何已知力（包括核力或电磁力）与任何其他粒子绑定的粒子的质量。
ç ²是光平方的速度：只是一个换算系数，它告诉我们质量和能源的转换关系。
我们可以从核反应中获取大量能量的原因直接来自于该方程 E = mc²。
即使我们仅仅将1kg的质量完全转化成成能量， 但是因为ç ²足够大，我们也将会得到等同21.5兆吨的TNT引爆而产生的能量。
这就解释了为什么太阳会输出这么多的能量？为什么核反应堆如此高效？为什么受控核聚变的梦想是能源的“圣杯”？以及为什么核弹如此强大又如此危险？
E = MC ²这个公式也昭示了存在一种能量形式——质量，无论您对一个物体动用什么外部手段，都无法将其带走。只要质量仍然存在，这种能量形式就会一直存在。为什么这个值得强调呢，因为所有其他形式的能量都可以通过外部手段去除。
例如，运动中的粒子具有动能：与它的运动相关的能量。当快速移动的巨大物体与另一个物体碰撞时，无论碰撞如何发生，碰撞都会为其赋予能量和动量。这种形式的能量是粒子运动固有的能量形式。
但这种能量形式，可以在不改变粒子本身性质的情况下将其除去。只需令正在观察的粒子速度减小，即可降低该粒子的总能量，但只能降低到一个最小的值。即使除去其所有动能，其静止质量能（由E = mc²定义的部分） 也将保持不变。
当然，您可能会认为这意味着您可以针对任何系统，消除其除质量能量以外的所有形式的能量。（您可以想到的所有其他形式的能量有这些：势能，结合能，化学能等）。
这是事实。在适当的条件下，这些能量形式可以被带走，仅留下裸露的，静止的，孤立的颗粒。这时候，它们会有的唯一能量就是它们的静止质量能量：E = MC ²。
那么，物质的质量所蕴含的能量从何而来？
您可能很快就会回答“希格斯场【1】”。这算部分正确吧，在宇宙大爆炸后不到一秒钟的时间里，就恢复了将电磁力与弱核力统一在一起的电弱对称性，表现为一种单一的力。当宇宙膨胀并充分冷却时，这种对称性就破裂了，标准模型的粒子也遭受了巨大的影响。
首先，许多粒子（包括所有夸克和带电轻子）获得了非零的静止质量。由于这些能量量子中的每一个都耦合【2】到遍布宇宙的希格斯场，因此许多粒子现在都还具有非零的静止质量。这是对这些粒子本身质量中的能量来自何处的一部分答案 ：从它们与希格斯场（基本量子场）的耦合。
但事情并不总是那么简单。如果您考虑电子的质量并尝试根据电子与希格斯场的耦合来解释它，那么您100％会成功：因为希格斯对电子质量的贡献恰好提供了电子的质量。
但是，如果您试图以此来解释质子的质量，通过将构成其的余量夸克和胶子相加起来，好像就会得出结论，但实际上，您不会得到938 MeV /c²的实际值。
由于质子（以及其他相关原子核）都是由夸克和胶子构成的，并且构成了宇宙中正常（已知）物质的大部分，因此必须有另一个贡献者来贡献质量包含的另一部分能量。就质子而言，贡献者主要是强大的核力。与重力和电磁力不同，两个夸克距离越远，强量子核力（基于量子色动力学【3】和夸克和胶子的“颜色”特性【4】）就会越强。
每个质子由三个夸克（两个上夸克与一个下夸克）组成，原子核中的每个核子通过在这些夸克之间交换的胶子保持在一起：这是一种像弹簧一样的力，随着夸克距离的增加，它会变得更强。尽管质子是由点状粒子构成的，但质子仍具有有限的大小，这是因为该力的强度以及原子核内部粒子的电荷和耦合。
如果夸克能够以某种方式释放出来，那么宇宙中的大部分质量都将被转换回能量： 也就是说，E = MC ²是可逆反应。
在超高能量下，例如在非常早期的宇宙中，或在诸如RHIC或LHC的重离子对撞机中，已经达到了这些条件，从而形成了夸克胶子等离子体。但是，一旦温度，能量和密度降到足够低的值，这些夸克就会重新受到约束，这就是大多数正常物质质量的来源。
换句话说，拥有三个自由夸克，即使希格斯场给予它们非零的静止质量，在能量上也远不如将那些夸克束缚在一起形成质子和中子等复合粒子多。我们宇宙中已知质量（m）的大部分能量（E）来自强大的约束力。
所以，我们以前学的仍然是正确的：能量总是可以从一种形式转换为另一种形式。但这是有代价的：将足够的能量泵入系统作为消除这种额外形式的能量的成本。
对于前面的动能示例，这意味着提高您的速度（作为观察者）或减小粒子的速度（相对于您，观察者）直到匹配为止，这两者都需要输入能量。
对于其他形式的能量，它可能更复杂。中性原子的质量比离子化原子小约0.0001％，这是因为电子与原子核的电磁键合释放出约10 eV的能量。由质量引起的空间变形产生的引力势能也起作用。甚至整个地球，其质量也比组成它的原子少约0.00000004％，因为我们世界的重力势能总计达2×10的32次方J。
E = mc² 告诉我们，质量是一切物体都具有的固有的基本能量，无法以任何方式将其消除。只有彻底破坏物体——通过使其与反物质碰撞（导致能量释放）或向其中注入足够的能量（仅对于复合粒子，其基本成分保持完整），我们才能将该质量转换回某种形式的能量。
对于标准模型的基本粒子，希格斯场及其与每个粒子的耦合提供了构成质量m的能量 。但是，对于宇宙中占大多数已知质量的粒子，如质子，中子和其他原子核而言，强大的力产生的结合能使我们获得了大部分质量 m。
对于暗物质呢？尚无人知道，但可能是希格斯场、某种形式的结合能之一或其他完全新颖的东西。但是，无论原因是什么，都为这种看不见的物质提供了能量。 E = mc² 也一定会保持正确。
部分名词解释：
【1】以物理学家彼得·希格斯姓氏为名，是一种假定遍布于全宇宙的量子场。详细解释：https://baike.baidu.com/item/%E5%B8%8C%E6%A0%BC%E6%96%AF%E5%9C%BA/9267664?fr=aladdin
【2】指能量从一个介质（例如一个金属线、光导纤维）传播到另一种介质的过程。详细解释：https://baike.baidu.com/item/%E8%80%A6%E5%90%88/2821124?fr=aladdin
【3】详细解释：https://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%89%B2%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E5%AD%A6/2723360
【4】详细解释：
https://baike.baidu.com/item/%E8%89%B2%E8%8D%B7/2717117?fr=aladdin
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