什么情况下能量可以转化为质量？
“能量如何变成质量？”这个问题，听起来就充满了哲学和科幻色彩，但实际上，它触及了物理学最核心的秘密之一。别把它想得太玄乎，虽然不像变魔术一样，但能量和质量之间确实存在着一种非常深刻且直接的联系，只是发生的场景和方式，远比我们日常感知要“硬核”得多。
简单来说，最著名的，也是最直接的“能量变质量”的场景，就藏在那个比口香糖包装纸上印得还常见的公式里——E=mc²。爱因斯坦的这个质能方程，简直就像一本物理学的“天书”，它揭示了一个惊人的事实：质量本身，就是一种高度浓缩的能量。
那么，具体在什么情况下，能量会“显现”为我们所熟知的质量呢？
1. 粒子的诞生：在极端能量环境下
想象一下，宇宙诞生之初，那是个能量爆棚的时代。高温、高密度的能量场中，粒子可不是凭空出现的，它们正是从无处不在的能量场中“凝聚”出来的。
粒子对的产生（Pair Production）： 这是最经典的能量转化为质量的例子。当一个足够高能的光子（也就是光的能量粒子）穿过一个原子核的强大电场时，这个光子会“消失”，然后“变成”两个粒子——一个正电子（电子的反粒子）和一个电子。这两个粒子，就拥有了它们各自的质量。这个过程就像是在巨大的能量“熔炉”里，把纯粹的能量“锻造”成了有质量的物质。
过程细节： 这里有个关键点。光子本身是静止质量为零的。但是，它的能量（E = hf，h是普朗克常数，f是频率）是巨大的。要产生一对电子正电子，所需的最小能量是两个粒子静止质量对应的能量之和（2 m_e c²，m_e是电子的静止质量）。如果光子能量大于这个值，多余的能量会以动能的形式分配给新产生的电子和正电子。
为什么需要原子核？ 原子核提供的电场是为了满足动量守恒。如果光子直接变成一对粒子，整个系统的动量就无法守恒。原子核的参与，就像一个“第三方”，帮助系统在能量转换的同时，也把动量“捎带”上了。
高能粒子对撞机中的“创造”： 我们在像大型强子对撞机（LHC）这样的设备里，就是有意地去“制造”这种能量到质量的转化。科学家们加速质子（或离子）到接近光速，然后让它们发生剧烈的碰撞。在这些碰撞的瞬间，会释放出难以想象的巨大能量。这些能量，一部分就转化成了各种各样我们之前从未见过、或者非常不稳定的粒子，它们都拥有自己的质量。这些新产生的粒子，很多比我们熟悉的质子、中子、电子要重得多，它们就像是能量高度集中的“结晶”。
2. 物质的结合能：质量的“隐藏”部分
我们平时说的“质量”，其实不完全是组成它的基本粒子的“静止质量”加起来那么简单。这里面还藏着一个叫做“结合能”的家伙。
原子核的结合能： 想象一下质子和中子是如何被紧密地束缚在原子核里的。要把这些核子从原子核中拉出来，需要克服强大的核力，这需要消耗能量。反过来，当质子和中子结合成原子核时，它们会释放出能量，这个能量就是结合能。
质量亏损： 根据E=mc²，能量的释放就意味着质量的“损失”。所以，一个由多个核子组成的原子核，它的总质量，会比构成它的那些核子各自静止质量的总和要小一点点。这个“小一点点”就是结合能对应的质量。
核反应中的体现： 核裂变（比如核电站）和核聚变（比如太阳发光）都是利用了这种结合能。在核裂变中，一个重原子核分裂成几个较轻的原子核，这些较轻原子核的结合能更大，所以会释放出能量，同时质量也“减少”了。在核聚变中，轻原子核结合成重原子核，同样是轻原子核的结合能小于形成的重原子核的结合能，能量被释放出来，质量也相应地“减少”了。
化学键的结合能： 即使是普通的化学反应，例如氢气和氧气燃烧生成水，也会释放出能量。这个过程中，氢原子和氧原子通过化学键结合成水分子。化学键的形成也伴随着能量的释放，同样，这部分能量在形成水分子时，也表现为微小的质量“亏损”。不过，这个亏损相对于核反应来说，简直微不足道。
3. 宇宙中的其他可能性（更前沿和理论化）
除了上述相对“具体”的场景，还有一些更具理论性的讨论，虽然不一定是我们日常可见的，但也指向了能量转化为质量的可能性：
真空涨落： 量子场论告诉我们，即使是所谓的“真空”，也并不是什么都没有，而是充满了各种量子场的涨落。在极高的能量密度下，这些真空涨落可能会暂时“凝聚”出粒子反粒子对，然后又迅速湮灭，但这足以说明能量可以以极其短暂的方式转化为质量。
暗能量和宇宙膨胀： 对于暗能量的本质，我们还知之甚少。但一些理论认为，暗能量可能与真空能有关，或者在宇宙膨胀过程中，某些能量形式正在缓慢地转化为我们目前还无法直接观测到的“质量”或“能量密度的变化”。
总结一下，能量转化为质量，说到底，是能量的“显现”或“凝结”成我们所理解的物质形态。 这个过程并非魔法，而是根植于宇宙基本规律的物理现象。
关键是能量的“密度”和“集中度”：只有当能量被足够地集中、足够地“活跃”时，它才有机会在物理定律的允许下，转变成我们能够触摸和感知的“质量”。
E=mc²是这出戏的总导演：这个方程不只是一个简单的换算关系，它告诉我们，质量本身就是能量的一种“压缩”形式。
所以，下次你看到一个原子弹爆炸的震撼场面，或者想到太阳内部的核聚变，都可以将其理解为宇宙用最壮丽的方式，演示着能量如何转化为质量，以及质量如何反过来释放出无穷的能量。这是一种关于物质和能量之间深刻统一性的最生动、最强大的证明。
简单来说，最著名的，也是最直接的“能量变质量”的场景，就藏在那个比口香糖包装纸上印得还常见的公式里——E=mc²。爱因斯坦的这个质能方程，简直就像一本物理学的“天书”，它揭示了一个惊人的事实：质量本身，就是一种高度浓缩的能量。
那么，具体在什么情况下，能量会“显现”为我们所熟知的质量呢？
1. 粒子的诞生：在极端能量环境下
想象一下，宇宙诞生之初，那是个能量爆棚的时代。高温、高密度的能量场中，粒子可不是凭空出现的，它们正是从无处不在的能量场中“凝聚”出来的。
粒子对的产生（Pair Production）： 这是最经典的能量转化为质量的例子。当一个足够高能的光子（也就是光的能量粒子）穿过一个原子核的强大电场时，这个光子会“消失”，然后“变成”两个粒子——一个正电子（电子的反粒子）和一个电子。这两个粒子，就拥有了它们各自的质量。这个过程就像是在巨大的能量“熔炉”里，把纯粹的能量“锻造”成了有质量的物质。
过程细节： 这里有个关键点。光子本身是静止质量为零的。但是，它的能量（E = hf，h是普朗克常数，f是频率）是巨大的。要产生一对电子正电子，所需的最小能量是两个粒子静止质量对应的能量之和（2 m_e c²，m_e是电子的静止质量）。如果光子能量大于这个值，多余的能量会以动能的形式分配给新产生的电子和正电子。
为什么需要原子核？ 原子核提供的电场是为了满足动量守恒。如果光子直接变成一对粒子，整个系统的动量就无法守恒。原子核的参与，就像一个“第三方”，帮助系统在能量转换的同时，也把动量“捎带”上了。
高能粒子对撞机中的“创造”： 我们在像大型强子对撞机（LHC）这样的设备里，就是有意地去“制造”这种能量到质量的转化。科学家们加速质子（或离子）到接近光速，然后让它们发生剧烈的碰撞。在这些碰撞的瞬间，会释放出难以想象的巨大能量。这些能量，一部分就转化成了各种各样我们之前从未见过、或者非常不稳定的粒子，它们都拥有自己的质量。这些新产生的粒子，很多比我们熟悉的质子、中子、电子要重得多，它们就像是能量高度集中的“结晶”。
2. 物质的结合能：质量的“隐藏”部分
我们平时说的“质量”，其实不完全是组成它的基本粒子的“静止质量”加起来那么简单。这里面还藏着一个叫做“结合能”的家伙。
原子核的结合能： 想象一下质子和中子是如何被紧密地束缚在原子核里的。要把这些核子从原子核中拉出来，需要克服强大的核力，这需要消耗能量。反过来，当质子和中子结合成原子核时，它们会释放出能量，这个能量就是结合能。
质量亏损： 根据E=mc²，能量的释放就意味着质量的“损失”。所以，一个由多个核子组成的原子核，它的总质量，会比构成它的那些核子各自静止质量的总和要小一点点。这个“小一点点”就是结合能对应的质量。
核反应中的体现： 核裂变（比如核电站）和核聚变（比如太阳发光）都是利用了这种结合能。在核裂变中，一个重原子核分裂成几个较轻的原子核，这些较轻原子核的结合能更大，所以会释放出能量，同时质量也“减少”了。在核聚变中，轻原子核结合成重原子核，同样是轻原子核的结合能小于形成的重原子核的结合能，能量被释放出来，质量也相应地“减少”了。
化学键的结合能： 即使是普通的化学反应，例如氢气和氧气燃烧生成水，也会释放出能量。这个过程中，氢原子和氧原子通过化学键结合成水分子。化学键的形成也伴随着能量的释放，同样，这部分能量在形成水分子时，也表现为微小的质量“亏损”。不过，这个亏损相对于核反应来说，简直微不足道。
3. 宇宙中的其他可能性（更前沿和理论化）
除了上述相对“具体”的场景，还有一些更具理论性的讨论，虽然不一定是我们日常可见的，但也指向了能量转化为质量的可能性：
真空涨落： 量子场论告诉我们，即使是所谓的“真空”，也并不是什么都没有，而是充满了各种量子场的涨落。在极高的能量密度下，这些真空涨落可能会暂时“凝聚”出粒子反粒子对，然后又迅速湮灭，但这足以说明能量可以以极其短暂的方式转化为质量。
暗能量和宇宙膨胀： 对于暗能量的本质，我们还知之甚少。但一些理论认为，暗能量可能与真空能有关，或者在宇宙膨胀过程中，某些能量形式正在缓慢地转化为我们目前还无法直接观测到的“质量”或“能量密度的变化”。
总结一下，能量转化为质量，说到底，是能量的“显现”或“凝结”成我们所理解的物质形态。 这个过程并非魔法，而是根植于宇宙基本规律的物理现象。
关键是能量的“密度”和“集中度”：只有当能量被足够地集中、足够地“活跃”时，它才有机会在物理定律的允许下，转变成我们能够触摸和感知的“质量”。
E=mc²是这出戏的总导演：这个方程不只是一个简单的换算关系，它告诉我们，质量本身就是能量的一种“压缩”形式。
所以，下次你看到一个原子弹爆炸的震撼场面，或者想到太阳内部的核聚变，都可以将其理解为宇宙用最壮丽的方式，演示着能量如何转化为质量，以及质量如何反过来释放出无穷的能量。这是一种关于物质和能量之间深刻统一性的最生动、最强大的证明。
网友意见
正负电子湮灭可以产生两个光子，反过来，两个光子使劲怼，也能怼出正负电子来。
1934年，Breit 和 Wheeler发表了一篇名为 Collision of Two Light Quanta的论文[1]，从理论上论证了两个光子碰撞形成正负电子的可能性。这一物理过程也被因此被命名为为Breit-Wheeler 过程。
不过由于光子-光子碰撞的截面太小，需要很高密度的高能光子才能观测到Breit-Wheeler 过程。因此，直到2014年，人类才在实验室中第一次观察到了光子碰撞产生的Breit-Wheeler 对[2]。
参考
- ^Collision of Two Light Quanta https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.46.1087
- ^A photon–photon collider in a vacuum hohlraum https://www.nature.com/articles/nphoton.2014.95.pdf
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