关于质能关系式的几点思考

巨乃岐

(信息工程大学理学院人文社会科学教研室，河南郑州450001)

爱因斯坦相对论最重要的推论之一是质能关系式。它的发现，不仅是物理学上的一场革命，而且也是人类科学思维方式的一场革命，具有重要的科学意义和哲学价值。1905年6月，爱因斯坦发表了论文《论运动物体的电动力学》，提出了狭义相对论。正是在这篇论文中，他从相对性原理和光速不变原理出发，由伽利略变换得到了洛伦兹变换，由此得出了一系列全新的科学结论和科学事实，其中就包括著名的质能关系式。

一、质能关系式的物理推导

狭义相对论指出，质量m与其能量E之间有着E=mc2的关系，推导过程如下:

假设有一质量为M、长度为L的箱子，静止放置。它与外界无任何相互作用，即该箱为一孤立系统，为了方便计算，设箱子的四个侧面没有质量，左右两端的质量均为，如图所示。

设想在箱内右端面处发射一束电磁波，向左传播。按照电磁理论，能量为E的电磁辐射具有动量为E/C，假定其质量为m。在发射电磁波的同时，静止的箱子所获得的运动速度为v。由于系统的总动量为零，即有:(M－m)·v=E/C，由此可知箱子向右的移动速度:v=

整个辐射过程结束后，箱子将向右移动一段距离为△x=v·△t，将上式代入后可以得到:

由于电磁波自右向左发射，这就使得箱子左右两端面的质量分别变为m。由于该箱子为孤立系统，其质心的位置不会因为系统内部有上述物理过程而发生变化，因此必有:

这就是著名的爱因斯坦质能关系式［1］。

二、质能关系式的科学内涵

质能关系式具有丰富的内涵，它的发现在科学史上是开创性的和革命性的。

(一)质能关系式表明，物质内部具有巨大的能量。

质能关系式告诉我们，每个物体，哪怕是极其微小的原子，都是一个巨大的能量库，都蕴含有巨大的能量。原子弹的爆炸和核电站的运行就是证明，所不同的只是，前者的能量释放时间十分短暂而后者的能量释放时间较长而已。美国第一批原子弹是用94号元素钚作为材料制成的。一颗原子弹含6 000克钚239，在爆炸时，只有5% 的钚(即300克左右)发生裂变，其余5 700克钚全部液化掉了。发生裂变的300克钚元素转化成35种不同的放射性同位素。将这些同位素收集起来进行称量，发现其总质量是299克，就是说，损失了一克静止质量的钚，但却得到了E=1克 ×C2=1021尔格的能量。这个能量相当于2万吨三硝基甲苯炸药的能量。2万吨三硝基甲苯炸药若用载重4吨的汽车拉运的话，汽车一辆接一辆排成队，可排25公里长。这意味着，一颗原子弹可以轻易地抹平一座几百万人口的城市。这已被广岛和长崎的历史悲剧所证实。可见，物质内部的能量是巨大得惊人的。

物质内部巨大能量的发现，使19世纪末20世纪初人们无法解释的放射性元素、特别是镭元素为什么能够不断释放出如此强大能量的现象，太阳能的来源问题以及所有恒星的演化发展和内在动力问题，乃至整个宇宙的演化发展问题，都得到了圆满的科学解释。可以说，质能关系式的发现，不仅构成不久以后发展起来的原子核物理学和粒子物理学的理论基础，而且成为后来建立起来的恒星演化理论、宇宙大爆炸理论和暴胀宇宙论的理论基础，为人类真正能够从大尺度和微机制上正确认识自然、理性把握宇宙提供了理论指导。与此同时，质能关系式的发现还从理论上科学预示了原子能时代的到来，为人类科学开发原子能、合理利用原子能提供了实践指南。

(二)质能关系式表明，质量与能量相互度量，二者在本质上是等价的。

质能关系式E=mc2表明，质量是能量的度量(E=mc2)，能量也是质量的度量(m=，二者都以光速平方的某种倍数为其相互度量的系数。就是说，当质量发生△m的变化时，必然伴随有能量△E的变化，而且△E=△mc2;反之亦然。换句话说，物质的质量发生△m的亏损或增量时，一定伴随有能量△E的增加或减少。可见，质量与能量之间是相互转化的，二者在本质上是相同的和等价的。也就是说，一方面，从质量与能量相互区别、各不相同的意义上说，质量就是质量，质量不是能量;能量就是能量，能量不是质量，质能关系式的左端和右端各不相同。这使我们想起了马克思在《资本论》中那个著名的等式:20码麻布 =1件上衣。很显然，质量和能量是不同的，就像麻布和上衣是不同的一样。但是，另一方面，从质量与能量相互联系、相互度量、彼此转化的意义上说，质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量，就此而言，质量就是能量，能量就是质量，质量和能量在本质上又是统一的、等价的。

质量与能量相互度量、相互转化、彼此等价事实的发现，具有重大的科学价值和实践意义。从理论上说，质能关系式的发现深化了人们的科学认识，使先前被认为是两种完全不同、彼此无关的东西——物质与能量——统一了起来，这就从更大范围揭示了物质世界的内在统一性，把先前人们所认识的两个彼此孤立的定律——质量守恒定律和能量守恒定律——统一了起来，使其发展并提升为更具解释力和包容性的新的质能守恒定律，刷新了人们对自然界的科学认识，改变了长期以来人们所持有的基本观念。从实践上说，质能关系式的发现意味着，人们普遍所持有的很多基本观念和担心恐惧，其实是不正确的，也是不必要的。例如，站在质能转换的立场上看，一方面可以说，能源危机实质上是不存在的，因为按照质能关系式所揭示的科学原理，只要我们能够把适量的物质转化为能量，那么，能源危机便可克服。原子能发电站的建立运行在事实上已经证明了这一点。如果我们能够既安全又方便地实现核聚变以释放原子核内部巨大能量的话，那么，能源危机将从根本上得到彻底解决。另一方面也可以说，温室效应也完全可以克服。如果我们反过来思考问题，即将能量转化为物质，那么，世人普遍担忧的温室效应问题也将得到解决。因为，只要我们能够把地球表面的部分能量转化为物质，那么，地球表面的温度自然就会下降，温室效应问题自然也就迎刃而解了。

(三)质能关系式表明，实物与场是相互转化的，二者在本质上是统一的。

物质与能量的相互转化，从物理学的角度来看，其实也就是实物与场之间的相互转化。站在物理学的观点和立场上观察世界分析问题，可以说，万事万物尽管千姿百态、各不相同，但都可以归结为两种不同的存在形态，即实物和场。正如爱因斯坦所说:“我们有两种实在:实物和场。”［2］需要指出的是，实物和场具有很大的差异。例如，实物具有不可入性、粒子性、静止质量等，速度一般较慢，并在外力作用下产生加速度;而场具有可叠加性、波动性，没有静止质量，运动速度恒为光速，不因受力而加速。实物和场之间的巨大差异和截然对立，使人们很难将它们二者联系起来，当然更谈不上想像它们二者之间的相互转化了。质能关系式的发现，以质量与能量之间的转化为切入点，科学发现了实物与场之间的必然联系，深刻揭示了实物与场之间内在关联、相互转化、彼此统一的辩证关系，使人们从物理学的角度深刻认识到了物质世界的内在统一性。

质能关系式所揭示的质能统一、物场转化的原理和事实，不仅具有重大的理论意义，而且具有难以估量的实践价值。从理论上说，质能关系的发现使我们能够更加深刻地认识物质世界的统一性，不仅实物是物质的基本存在形态，而且场也是物质的基本存在形态，前者是具有静止质量的物质存在，用爱因斯坦的话说，是场的凝结和斑点，而后者则是没有静止质量的物质存在。实物与场之间的相互转化已被正负电子对之间产生与湮灭的实验所证实。从实践上讲，实物与场之间的相互转化和实践运用，其意义和价值将是巨大的。譬如说，如果能够做到实物与场之间的自由转化，那么，未来的人们将有可能完全避免车祸等重大灾难的发生。理由很简单，以实物形态存在的人们，凡在遭遇汽车、火车等交通工具的情况下，只要能够及时将自己转化为以场的形态存在的另外一种形式，即实现“实物自我”到“场自我”的转化，那么，再大的交通灾难都可以避免。换句话说，在未来的社会生活中，交通灾难将不复存在。不仅如此，更为重要的是，如果能够实现“实物自我”与“场自我”的自由转化，那么，宇宙旅行也将不再是梦想，而变成唾手可得、随心所欲，变成只要心想就能事成。因为，尽管实物自我的速度是非常有限的，然而，场自我的速度却是光速，而根据相对论，一旦人(场形态的人)以光速运动，那么其运动方向上的距离将变为零，即:尺缩效应使得以场形态存在的人在其运动方向上与宇宙万物普遍成为零接触。换句话说，以场自我存在的人想去哪里，那么他本身就已经到达了那里，易言之，任何一个以场自我存在的人，他必定充满整个宇宙。

三、质能关系式的哲学意义及启示

质能关系式的发现，不仅具有重大的科学价值和实践意义，而且具有重要的哲学价值和实践启示。

(一)质能关系式深刻揭示了自然界质能统一的客观物质性。

质能关系式的发现，不仅在科学上证明了物质与能量之间的对等转化性，而且为哲学上科学论证自然界的物质统一性提供了科学的理论依据。这样，哲学理论所阐述的客观世界的物质统一性，就不再是纯粹思辨的抽象判断，而成为有科学理论支持并证实的科学判断和正确可信的哲学结论了。早在能量转化和守恒定律发现后不久，恩格斯就明确指出:“能量转化和守恒定律表明，自然界中整个运动的统一，现在已经不再是哲学的论断，而是自然科学的事实了。”［3］175-176质能关系式的发现，不仅是对能量转化和守恒定律以及物质不灭原理的进一步证明，而且是对物质与能量转化守恒、辩证统一的新发现，它从更大范围又一次证实了自然界内部的物质统一性和客观物质性。这样，质能关系的发现，就从科学上彻底否定了长期以来人们所持有的“‘能’是物质以外的某种东西”［3］63的错误观念，从而在哲学上与以原子为实体的机械唯物主义和以能量为基石的唯能论最后划清了界限。很显然，旧唯物主义把原子作为世界的本原，把以原子为本原的有形可见的物质看做世界的唯一本体和独立存在，这其实是一种实物主义的自然观，其结果必然带有形而上学的机械性质;与此相对立，唯能论却把能量看成是世界的本原，把以能量为本原的看不见摸不着的能量看做世界的唯一本体和独立存在，这其实是一种能量主义的自然观，最终免不了要走向神秘的唯心主义。事实也正是如此。质能关系式的发现，从科学上证明了马克思主义哲学辩证唯物主义的科学性和真理性。

(二)质能关系式深刻揭示了客观事物动静相蕴、互通转化的辩证统一性。

质能关系式的发现，不仅改变了人们传统的物质、能量观念，使人们认识到了物质与能量的内在统一性和相互转化性;而且还全面刷新了人们传统的能量观念，使人们对物质及其运动与静止的关系有了崭新的认识。传统上，人们对能量的认识始终局限于动能和势能两个方面，认为物质的能量就是动能与势能的总和。物质因为运动而具有动能，这是绝对运动而形成的能量;物质之间因为相互作用因而具有势能，这是相对运动而形成的能量。可见，能量说到底是与运动联系在一起的，没有运动，就没有能量。质能关系式告诉我们，物质不仅因为运动而具有动能和势能，而且物质本身也具有能量即静能，而且物质的静能是巨大的。质能关系式E=mC2中的m就是物质的静止质量，它表明，物质即使没有运动，它也具有能量，而且这个能量是巨大的。事实上，从相对论的立场来看，物质就是能量，能量就是物质，进而言之，物质是能量的集中形式和静态存在，用爱因斯坦的话说就是，物质是场的凝结和斑点;而能量则是物质的展开形式和动态存在，用爱因斯坦的话说就是，场是物质世界的本真存在和更为基本的形式。在这里，质能关系式通过对物质内在静能的分析和揭示告诉我们，绝对静止是不存在的，静止只是运动的特殊形式和储备状态，运动是绝对的，静止是相对的。这样，质能关系式通过对质能转化的科学分析，既从科学上同时也从哲学上深刻揭示了运动与静止之间相互蕴含、相依相生、互动转化的辩证统一性。

(三)质能关系式深刻揭示了宇宙万物有无相生的相依相成性。

质能关系式通过对能量与质量之间辩证统一、相互转化关系的揭示告诉我们，实物与场也是辩证统一、相互转化的。一方面，实物和场是相互联系、不可分割的，任何实物其周围都必然存在着场，不与场相联系的实物是不存在的;反之，任何场都是某种实物的场，脱离开实物、不与实物相联系的场也是不存在的。另一方面，实物和场又相互生成、彼此转化。正如大哲学家老子所言，天下万物无生于有，有生于无。实物与场之间的关系就是有与无的关系。有无相依，有无相蕴，有无相生，有无转化。在这里，“有”指的是实物，是看得见、摸得着、具有静止质量的各种物体;而“无”就是场，是看不见、摸不着、没有静止质量的各种场，就是人们常说的“真空”。可见，真空不空，它仍然是物质的一种存在形态，是总能量处于最低状态的一种基态量子场。再一方面，极端地说，实物完全转化为场，就成为“大象无形”、永恒自生了，这时空间就完全时间化了;反之，场如果完全转化为实物，就变成“大制不割”、无迹天成了，这时时间就完全空间化了。质能关系式的发现深刻揭示了宇宙万物之间相生相克、有无转化的一体相依性。宇宙万物之间有无相生的相依相成性表明，有就是无，无就是有，有来自无，无中生有。

(四)质能关系式深刻揭示了宇宙万物普遍转化的生成主体性。

质能关系式的发现从深层次、大尺度上深刻揭示了宇宙万物相互作用、普遍转化的生成主体性。一方面，能量与质量的相互作用、彼此转化是宇宙演化、天体运动、生命进化和社会进步的主题、主导、主线和主体。宇宙万物的演化发展，从宇宙大爆炸的那一刻起，到第一个元素的形成，到各种天体的演化和各种星系的形成，直到生命形态的诞生，一直到生物的进化和人类社会的进步，其间起主要作用、发挥主导功能、构成其主题、主线的主体相互作用和运动变化，就是能量与质量的相互作用和不断转化。这一点几乎是不言而喻的。众所周知，宇宙大爆炸的过程在总体上就是能量转化为质量的过程，是从“无”到“有”的运动变化和转化生成过程。各种元素、星云、天体、星系乃至生命和人类，都是能量转化为质量的结果、产物和见证。天体的演化发展过程，既是能量转化为质量从而也是各种重元素不断生成积累的过程，也是质量转化为能量从而也是发光发热的演化发展过程。生命的进化过程是绿色植物依靠叶绿素进行光合作用从而将光能转化为植物能的过程;地球上的全部生命就其本质来说就是固体的阳光，是能量转化为质量的结果和证明。而人类的思维和实践过程，作为物质变精神和精神变物质的辩证统一过程，其对外在世界的认识、改造和建设活动，更多的则是能量到质量、精神到物质的转化生成过程，表现为物质财富的增长、理想世界的建造和环境条件的改变。另一方面，能量与质量的相互作用、彼此转化是宇宙万物相互作用、生成转化的本质、本性、本真和本体所在。质能关系式从微观机制上揭示了事物运动变化、进化发展的根本原因和本质本性。无论是自然界还是人类社会，其发展变化都是由量变到质变的历史过程。原因很简单，因为“没有物质或运动的增加或减少，即没有有关的物体的量的变化，是不可能改变这个物体的质的”［4］。正是物质与能量之间可觉察的和不可觉察的不断变化和转化，才成就了丰富多彩、千姿百态的物质世界，物质世界因此才有了“原始火球—夸克(层子)—基本粒子—原子核—原子—分子—物体—行星—恒星—星系—星系团—超星系团—总星系”的不断演化和发展，生命世界才有了“生物大分子—细胞器—细胞—组织—器官—系统—个体—群体—生物群落—生态系统—生物圈”的不同生命形态和诸多层次。正因为这样，恩格斯在《路德维希·费尔巴哈和德国古典哲学的终结》一文中把“过程的集合体”概括为自然界历史观的基本观点，他说:“一个伟大的基本思想，即认为世界不是一成不变的事物的集合体，而是过程的集合体。”［5］就是说，“自然界不是存在着，而是生成着并消逝着”［3］13。质能关系式从微观机制上深刻揭示了宇宙万物普遍转化、生成生长的实在内容、主体性质和本体根源。在这里我们可以说，如果说康德的星云假说第一次把“地球和整个太阳系表现为某种在时间的进程中逐渐生成的东西”［3］12，那么，爱因斯坦的质能关系式就不仅把整个宇宙从深层次和大尺度上表现为某种在时空中逐渐生成的东西，而且还明确指出了宇宙万物发展变化、转化生成的深层本质、必然本性和自然本真，用自然科学的理论具体揭示了宇宙万物发展变化、生成转化的内在机理和本体根源。

(五)质能关系式深刻揭示了万事万物自组互成生灭变化的层次规律性。

需要指出的是，质能关系式所揭示的质量与能量的相互作用和转化关系，是在原子核层次上的能质转化关系，而不是物质的其他层次上的能质转化关系，更不是物质更深层次上的能质转化关系。根据物质层次结构的结合度原理，物质的层次结构越深、尺度越小，其结合度越大;反之，其结合度就越小［6］。例如，在原子核内部，将质子、中子等基本粒子结合在一起的强相互作用非常强大;在原子当中，将原子核与电子结合在一起的电磁相互作用就要小得多;在分子当中，将各种元素的原子结合在一起的离子键、共价键等其相互作用就更弱;而将各种物体结合在一起形成天体、星系、星系团和总星系的万有引力则是目前所发现的一种最弱的相互作用。可以断定，把各种夸克结合在一起从而形成质子、中子等各种基本粒子的力量要比目前所发现的强相互作用强大得多，就是说，原子核以下的物质层次结构所蕴含的能量比原子核层次本身所蕴含的能量要大得多，这种大不是线性增长的，而是非线性增长的，很可能是指数增长的。由此可以看出，质能关系式只是在原子核层次上具体揭示了能量与质量之间的相互转化关系。但是，窥一斑而知全豹，见一叶而知深秋。质能关系式通过质量与能量之间的普遍转化关系，不仅揭示了宇宙万物运动变化、生成演化的根本规律，而且透过原子核这个特殊层次和独立梭镜，揭示并放大了万事万物自组互成、生灭变化的层次规律性。质能关系式以其自身的独特内涵和科学结论启示人们，宇宙间万事万物的发展变化是有章可循的，万事万物的运动变化和有无生灭是有规律、分层次、自组织、互成就的，质能关系式只是人们探索物质层次结构的初步成果，物质内部更深层次的质能转化关系还有待人们继续去探索。

(六)质能关系式史无前例地尖锐地提出了技术发展的合理性原则。

质能关系式的发现为人们成功利用原子能、有效解决能源危机问题，从而大幅度地提高生活质量，提供了科学根据和技术原理，就此而言，质能关系式中蕴藏着对人类无限的恩泽和福祉，它本身就是人类取之不尽、用之不竭的物能宝库。但是与此同时，它对人类的技术实践也提出了全新的要求和原则。一方面，质能关系式的发现作为现代科学的重要成就，要求人类必须加速技术实践的发展，从而将现代科学理论的成果和价值尽快转化为现实生产力，为人类造福。另一方面，由于现代科学理论的成果完全不同于近代和古代，它所蕴含的力量与价值是如此巨大，以至于将其转化为生产力时必须严加约束并合理运用，否则，现代科学的技术运用和现代技术的实践发展将不是造福人类而可能是祸害人类，人类因此将因为现代科学的非理性运用和现代技术的非理性发展而难以自拔并最终自食其果。很显然，原子核内部的能量是巨大的，原子能的开发利用因此必须安全合理，否则，很可能造成灾难。因此，合理地运用现代科学，理性地发展现代技术，就成为现代科技发展的首要原则。这一原则就是合理性原则，就是不仅要坚持真理性，而且要坚持价值性，一句话，是合自然规律性与合社会目的性的有机统一。

再一方面，质能关系式的发现同时也要求我们扩大眼界，在核能利用上选择和开发更加合理的道路和方向。目前，人类对质能关系式的遵循和利用主要集中在核能开发和利用上，这当然很重要，但也很狭隘。事实上，质能关系式所反映的是场形态与实物形态的等价和转化关系，这一关系的存在在自然界是普遍的，在地球上是常见的，在地球生命系统中是占据主导地位的。通过绿色植物的光合作用，太阳的光能向生物能的转化，就是质能关系式最普遍的转化形式。当然，这也是整个地球生命系统的秘密所在。事实上，生命过程就是把光能转化为生物能(物质)的过程。人常说，万物生长靠太阳，说的就是这个道理。由此可见，深入探索植物光合作用的内在机制，实现光合作用的人为控制和有效利用，充分利用和开发太阳能、生物能(包括植物能和动物能)，应该成为今后一段时间重点开发和利用的新能源。事实上，地球上的能量能源主要来自太阳。

(七)质能关系式启示人们物质、能量与信息之间的相互转化具有更大价值性。

质能关系式的发现对信息时代的科技发展有着更为深刻的启示。从更一般的意义上说，不仅物质与能量是相互作用、彼此转化的，而且物质、能量与信息也是相互作用、彼此转化的;特别重要的是，在这一切转化的过程中，信息的作用和意义更大。现时代的人们大都骄傲地认为自己已经步入信息时代。事实上，站在物质、能量和信息三者相互依赖、相互作用、相互转化的更高立场上看，我们今天最多也只是站在信息时代的门口，真正以信息为主角，自由地实现物质与能量之间的相互转化，全面释放并彰显信息的作用与价值的时代，仍然有待我们去开拓。质能关系式启示我们，必须全面认识物质、能量与信息之间的复杂关系和相互转化，信息时代的根本任务就是通过对“信息—编码—程序—知识—软件—电脑—机器”之间关系的深入研究和无缝链接，进而实现信息与物质和能量之间的相互关联、彼此互动和协同共荣，实现物质、能量与信息之间的自由转换、高效联动和协同自组，从而真正为人类造福。完全可以说，物质、能量与信息之间的相互转化具有不可估量的巨大价值，发现它们之间的内在关系，实现它们之间的互动转化，释放它们之中的系统潜能，全面开发和利用物质、能量与信息的综合效能，是信息时代人类科技发展的根本目标和任务。

［1］ 王佳菱，吴宝璋.质能关系式的一种导出方法［J］.黑龙江商学院学报，1994(1):42-44.

［2］ 爱因斯坦.物理学的进化［M］.上海:上海科学技术出版社，1962:155.

［3］ 恩格斯.自然辩证法［M］.北京:人民出版社，1971.

［4］ 马克思恩格斯选集:第3卷［M］.北京:人民出版社，1972:485.

［5］ 马克思恩格斯选集:第4卷［M］.北京:人民出版社，1972:239-240.

［6］ 国家教委社会科学研究与艺术教育司.自然辩证法概论:修订本［M］.北京:高等教育出版社，1991:39-40.