- 爱因斯坦在1934年为一群旁观者推导出了狭义相对论。
我们用来描述宇宙的所有方程中，最著名的一个就是：E = mc^2，也是最深刻的。它是100多年前由爱因斯坦首次发现的，它教会了我们许多重要的事实。我们可以把质量转化为纯粹的能量，比如通过核裂变、核聚变或物质反物质湮灭。我们可以从纯粹的能量中创造出粒子(和反粒子)。也许最有趣的是，它告诉我们，任何有质量的物体，无论我们如何冷却它，使它慢下来，或使它与其他物体隔离，它总会有一定数量的固有能量。但是这些能量从何而来呢？
在方程E = mc^2中，“ m ” 中的能量从何而来？
让我们深入物质的内部，在最小的尺度上寻找答案！
- 复合粒子和基本粒子的大小，可能还有更小的粒子在已知的范围内。随着大型强子对撞机的出现，我们现在可以把夸克和电子的最小尺寸限制在10^-19米以内，但我们不知道它们到底能往下走多远，也不知道它们是像点一样的有限尺寸，还是实际上是复合粒子。图片来源：费米实验室
我们需要做的第一件事就是要理解公式E = mc^2。
- E代表能量：在这种情况下，我们观察的粒子中包含的总能量。
- m代表质量：我们考虑的粒子的总静止质量，不受任何已知力(万有引力、核力或电磁力)约束的质量。
- c^2是光速的平方。
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 = mc^2。
- 迈克是第一个被测试的氢弹。释放这么多能量相当于大约500克的物质被转化为纯能量。
即使我们只把一个公斤的质量转化为能量，则意味着我们会得到相当于21.5吨TNT爆炸所释放出的能量。这就解释了为什么太阳会输出这么多能量；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。
质能方程意味着存在一种形式的能量，无论怎样，能量都不会被夺走。只要质量存在，这种形式的能量就永远与它同在。许最有趣的是，所有其他形式的能量都可以被移除。
- 宇宙中其他基本粒子的质量决定了它们何时以及在何种条件下可以被创造出来，同时也描述了它们如何在广义相对论中弯曲时空。图来自UNIVERSE-REVIEW
一个运动中的粒子有动能。当一个快速移动的大质量物体与另一个物体碰撞时，不管发生什么，碰撞都会产生能量，它是粒子运动固有能量的一种形式。
但这是一种能量形式，可以在不改变粒子本身性质的情况下被移除。你可以减少粒子的总能量，但只能降到某个最小值。即使你消除所有的动能，其仍然具有静止质量能量：E = mc^2。
- 一个关于行星如何围绕太阳运行的精确模型，然后太阳以不同的运动方向在星系中移动。。
对于任何系统，你能想到的所有其他形式的能量——势能、结合能、化学能等等——都是独立于静止质量之外的。在适当的条件下，这些形式的能量可以被带走，只留下静止的、孤立的粒子。
那么静止质量中的能力从何而来？你可能很快就会回答：“希格斯玻色子”，它在一定程度上是正确的。在宇宙的早期，大爆炸后不到1秒，电弱对称将电磁力与弱核力统一起来，恢复为单一力。当宇宙足够膨胀和冷却时，这种对称性就会打破，标准模型中的粒子就会受到巨大的影响。
- 当一个对称被恢复(顶部的黄色球)，所有的东西都是对称的。当对称性在较低的能量(蓝球，底部)被打破时，所有方向都是一样的。
首先，许多粒子——包括所有的夸克和带电的轻子——获得了非零的静止质量。由于这些能量量子与希格斯场的耦合，许多粒子现在都有了非零的静止质量。这部分回答了这些粒子的能量从何而来：从它们与基本量子场的耦合过程获得。
但事情并不总是那么简单。如果你计算一个电子的质量，并试图基于电子与希格斯介子的耦合来解释它，你就会100%的成功：希格斯介子对电子质量的贡献正好给出了电子的质量。但是如果你试图用这个来解释质子的质量，通过把剩下的夸克和胶子的质量加起来，你就做不到了。事实上：您不会得到938 MeV /c²的实际值，而只会得到大约1％的值。
- 此图显示了标准模型的结构。特别地，这张图描述了标准模型中的所有粒子(包括它们的字母名称、质量、自旋、旋向、电荷以及与规范玻色子的相互作用)。图片来源：维基共享的莱瑟姆·博伊尔和马杜斯
既然质子(以及其他相关的原子核)都是由夸克和胶子构成的，并且构成了宇宙中正常物质的大部分质量，那么肯定还有另一个因素。就质子而言，“罪魁祸首”是强大的核力。与引力和电磁力不同，强核力——基于量子色动力学和夸克和胶子的“颜色”属性——实际上两个夸克离得越远，核力就越强。
每个原子核由三个夸克组成，原子核中的每个核子由夸克之间交换的胶子连接在一起：夸克离得越远，这种类似弹簧的力就越强。质子的大小是有限的，尽管它是由点状的粒子构成的，这是因为这种力的强度以及原子核内粒子的电荷和耦合。
- 由于“颜色电荷”的存在和胶子的交换，产生了这种强大的力，这种力使原子核结合在一起。
如果夸克能以某种方式释放出来，宇宙中的大部分物质就能重新转化为能量。E = mc^2是一个可逆反应。在超高能量的情况下，比如在非常早期的宇宙中，或者在像RHIC这样的重离子对撞机中，或者在大型强子对撞机中，这些条件都被实现了，产生了夸克-胶子等离子体。然而，一旦温度、能量和密度降至足够低的值，夸克就会重新被束缚，这就是大部分正常物质的质量来源。
换句话说，即使有希格斯玻色子提供的非零静止质量，三个自由夸克也远不如把这些夸克结合成质子和中子这样的复合粒子那样有利。在我们的宇宙中，构成已知质量(m)的大部分能量(E)来自于强核力，以及由控制带颜色电荷的粒子的量子规则所引入的结合能。
- 质子的三价夸克参与了自旋，胶子、海夸克和反夸克也参与了自旋，轨道角动量也参与了自旋。
我们很久以前就知道能量总是可以从一种形式转换成另一种形式。但这是有代价的：向系统注入足够的能量以消除额外的能量。对于之前的动能的例子，这意味着提高速度(作为观察者)直到它们匹配，这两者都需要能量的输入。
对于其他形式的能量，它可能更复杂。中性原子的质量比电离原子小约0.0001%，因为电子与原子核的电磁结合会释放出每个原子约10 eV的能量。由于质量引起空间的变形而产生的引力势能也起作用。即使是地球，作为一个整体，它的质量也比组成它的原子小0.00000004%，因为我们这个世界的引力势能总和为2×10^32焦耳。
- 不是一个空的、空白的、三维的网格，放下一个质量会导致原本是“直线”的线变成特定数量的曲线。
当谈到爱因斯坦最著名的方程式时，E = mc^2 告诉我们，质量的一切都具有其固有的基本能量，无法以任何方式将其消除。只有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，对于宇宙中大多数已知的质量，质子，中子和其他原子核而言，强大的力产生的束缚能使我们获得了大部分质量 m。对于暗物质？尚无人知道，但这可能是希格斯某种形式的结合能，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 = mc^2 一定是正确的。
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