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今天我們來聊一聊一個經典的物理學公式——E =mc²。
在我們用來描述宇宙的所有方程式中，也許最著名的方程式E = mc²也是最深刻的。
它是愛因斯坦於100多年前首次發現的，它教會了我們許多重要的事情。我們可以將質量轉化為純能量，例如通過核裂變，核聚變或物質反物質湮滅來完成。我們可以僅憑純粹的能量來製造粒子（和反粒子）。而且，最有趣的是，它告訴我們，任何有質量的物體，無論其溫度有多低，速度有多慢或是被隔離開，都始終具有一定的內在能量，我們將永遠無法擺脫它。
但是這種能量從何而來呢？這就是Rene Berger想知道的，他問：
我的問題是，在方程E = mc²中，“ m ” 中的能量從何而來？
讓我們以最小的尺度潛入內部物質以進行發現。
我們需要做的第一件事是瞭解方程 E = mc²，這意味著分解其中的每個項。
- E代表能量：我們正在考慮的粒子（或一組粒子）中包含的總能量。
- m代表質量：我們正在考慮的粒子的總靜止質量，其中“靜止質量”是指未運動且未通過任何已知力（包括核力或電磁力）與任何其他粒子綁定的粒子的質量。
- ç ²是光平方的速度：只是一個換算係數，它告訴我們質量和能源的轉換關係。
我們可以從核反應中獲取大量能量的原因直接來自於該方程 E = mc²。
即使我們僅僅將1kg的質量完全轉化成成能量， 但是因為ç ²足夠大，我們也將會得到等同21.5兆噸的TNT引爆而產生的能量。
這就解釋了為什麼太陽會輸出這麼多的能量？為什麼核反應堆如此高效？為什麼受控核聚變的夢想是能源的“聖盃”？以及為什麼核彈如此強大又如此危險？
E = MC ²這個公式也昭示了存在一種能量形式——質量，無論您對一個物體動用什麼外部手段，都無法將其帶走。只要質量仍然存在，這種能量形式就會一直存在。為什麼這個值得強調呢，因為所有其他形式的能量都可以通過外部手段去除。
例如，運動中的粒子具有動能：與它的運動相關的能量。當快速移動的巨大物體與另一個物體碰撞時，無論碰撞如何發生，碰撞都會為其賦予能量和動量。這種形式的能量是粒子運動固有的能量形式。
但這種能量形式，可以在不改變粒子本身性質的情況下將其除去。只需令正在觀察的粒子速度減小，即可降低該粒子的總能量，但只能降低到一個最小的值。即使除去其所有動能，其靜止質量能（由E = mc²定義的部分） 也將保持不變。
當然，您可能會認為這意味著您可以針對任何系統，消除其除質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這些：勢能，結合能，化學能等）。
這是事實。在適當的條件下，這些能量形式可以被帶走，僅留下裸露的，靜止的，孤立的顆粒。這時候，它們會有的唯一能量就是它們的靜止質量能量：E = MC ²。
那麼，物質的質量所蘊含的能量從何而來？
您可能很快就會回答“希格斯場【1】”。這算部分正確吧，在宇宙大爆炸後不到一秒鐘的時間裡，就恢復了將電磁力與弱核力統一在一起的電弱對稱性，表現為一種單一的力。當宇宙膨脹並充分冷卻時，這種對稱性就破裂了，標準模型的粒子也遭受了巨大的影響。
首先，許多粒子（包括所有夸克和帶電輕子）獲得了非零的靜止質量。由於這些能量量子中的每一個都耦合【2】到遍佈宇宙的希格斯場，因此許多粒子現在都還具有非零的靜止質量。這是對這些粒子本身質量中的能量來自何處的一部分答案 ：從它們與希格斯場（基本量子場）的耦合。
但事情並不總是那麼簡單。如果您考慮電子的質量並嘗試根據電子與希格斯場的耦合來解釋它，那麼您100％會成功：因為希格斯對電子質量的貢獻恰好提供了電子的質量。
但是，如果您試圖以此來解釋質子的質量，通過將構成其的餘量夸克和膠子相加起來，好像就會得出結論，但實際上，您不會得到938 MeV /c²的實際值。
由於質子（以及其他相關原子核）都是由夸克和膠子構成的，並且構成了宇宙中正常（已知）物質的大部分，因此必須有另一個貢獻者來貢獻質量包含的另一部分能量。就質子而言，貢獻者主要是強大的核力。與重力和電磁力不同，兩個夸克距離越遠，強量子核力（基於量子色動力學【3】和夸克和膠子的“顏色”特性【4】）就會越強。
每個質子由三個夸克（兩個上夸克與一個下夸克）組成，原子核中的每個核子通過在這些夸克之間交換的膠子保持在一起：這是一種像彈簧一樣的力，隨著夸克距離的增加，它會變得更強。儘管質子是由點狀粒子構成的，但質子仍具有有限的大小，這是因為該力的強度以及原子核內部粒子的電荷和耦合。
如果夸克能夠以某種方式釋放出來，那麼宇宙中的大部分質量都將被轉換回能量： 也就是說，E = MC ²是可逆反應。
在超高能量下，例如在非常早期的宇宙中，或在諸如RHIC或LHC的重離子對撞機中，已經達到了這些條件，從而形成了夸克膠子等離子體。但是，一旦溫度，能量和密度降到足夠低的值，這些夸克就會重新受到約束，這就是大多數正常物質質量的來源。
換句話說，擁有三個自由夸克，即使希格斯場給予它們非零的靜止質量，在能量上也遠不如將那些夸克束縛在一起形成質子和中子等複合粒子多。我們宇宙中已知質量（m）的大部分能量（E）來自強大的約束力。
所以，我們以前學的仍然是正確的：能量總是可以從一種形式轉換為另一種形式。但這是有代價的：將足夠的能量泵入系統作為消除這種額外形式的能量的成本。
對於前面的動能示例，這意味著提高您的速度（作為觀察者）或減小粒子的速度（相對於您，觀察者）直到匹配為止，這兩者都需要輸入能量。
對於其他形式的能量，它可能更復雜。中性原子的質量比離子化原子小約0.0001％，這是因為電子與原子核的電磁鍵合釋放出約10 eV的能量。由質量引起的空間變形產生的引力勢能也起作用。甚至整個地球，其質量也比組成它的原子少約0.00000004％，因為我們世界的重力勢能總計達2×10的32次方J。
E = mc² 告訴我們，質量是一切物體都具有的固有的基本能量，無法以任何方式將其消除。只有徹底破壞物體——通過使其與反物質碰撞（導致能量釋放）或向其中注入足夠的能量（僅對於複合粒子，其基本成分保持完整），我們才能將該質量轉換回某種形式的能量。
對於標準模型的基本粒子，希格斯場及其與每個粒子的耦合提供了構成質量m的能量 。但是，對於宇宙中佔大多數已知質量的粒子，如質子，中子和其他原子核而言，強大的力產生的結合能使我們獲得了大部分質量 m。
對於暗物質呢？尚無人知道，但可能是希格斯場、某種形式的結合能之一或其他完全新穎的東西。但是，無論原因是什麼，都為這種看不見的物質提供了能量。 E = mc² 也一定會保持正確。
部分名詞解釋：
【1】以物理學家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍佈於全宇宙的量子場。詳細解釋：https://baike.baidu.com/item/%E5%B8%8C%E6%A0%BC%E6%96%AF%E5%9C%BA/9267664?fr=aladdin
【2】指能量從一個介質（例如一個金屬線、光導纖維）傳播到另一種介質的過程。詳細解釋：https://baike.baidu.com/item/%E8%80%A6%E5%90%88/2821124?fr=aladdin
【3】詳細解釋：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】詳細解釋：
https://baike.baidu.com/item/%E8%89%B2%E8%8D%B7/2717117?fr=aladdin
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