爱因斯坦是正确的，能量可以转成质量，科学家已经观测到实例

能量真的可以变成质量吗？如果可以，为什么这样的现象在日常生活里几乎无法察觉，却又实实在在地写进了现代物理的根基？答案要从一个世纪前的一场冷淡讲座讲起。

1928年，一位年轻人蹒跚地走上德国的一个舞台，就他最近的作品发表了一场学术讲座。

他的演讲风格略显独特，物理学家尤金·魏格纳形容这场讲座冷漠得几乎像是在背诵一篇技术文本，那人讲话时丝毫没有表现出享受自己演讲的迹象。

然而，这位古怪而谦逊的人所展示的作品，即将让二十世纪一些最著名的量子物理学家陷入困境。

讲座结束后，海森堡将此人的理论描述为现代物理学中最令人悲伤的一章。他还写信给尼尔斯·玻尔说，觉得目前的情况非常荒谬，几乎是出于绝望才转而投身于另一个领域。

据说泡利甚至宣布放弃量子物理学，转而开始写一部乌托邦小说。

这位年轻人究竟说了什么，竟能对量子力学界造成如此深刻的冲击？他当时研究的问题，至今仍是物理学家们正在努力解决的课题——爱因斯坦相对论与量子力学的统一。

他的作品揭示了一件令人不安的事：一种与世界上任何粒子都不同的粒子，具有负能量的粒子。要理解这个负能量粒子的来源，需要把时间再往前推二十多年。

长久以来，人们都认为能量就是能量，质量就是质量，这两者泾渭分明，不可混淆。但爱因斯坦却让人们改变了这一看法，他指出能量和质量其实只是物质的不同属性，两者之间有着确定的当量关系，可以通过一个简洁的方程式来描述。

这一颠覆性的观念，正是从1905年的狭义相对论中生长出来的。

1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论，其原理很简单：对于任何以恒定速度运动的物体，物理定律都应当相同，这包括对光速的任何测量。因此，无论观察者相对于光束如何运动，其测得的光速都应为三亿米每秒。

这意味着我们通常认为固定不变的事物，如时间和空间，都必须进行变换，才能使光速始终被测量为相同的值。爱因斯坦通过这一发现认识到，空间和时间根本不是分离的维度，它们通过一种称为时空的四维结构相互联系。

当爱因斯坦将这个思想应用于发光物体时，他发现了奇特的现象：当物体通过发射光子而损失能量时，其质量也必然减少。物体质量的变化等于所发射光子的能量除以光速的平方。换句话说，能量必须等于2。

质量和能量只是同一事物的不同表现形式，因此，粒子的总能量来源于其动量和静止质量，从而建立了能量和动量之间的新关系，这条关系并不只是纸面上的推演。

我们天天都能感受到的来自太阳的能量，就是一个质量转化为能量的实例。根据科学家的估算，在太阳的内部，每一秒都会有大约400万吨的质量在核聚变反应中转化为能量。所有核反应产生的能量，实质上都来源于反应物在核反应过程中所损失的质量。

换个例子，广岛原子弹释放的能量大约为1.3万吨TNT当量，而其损失的质量却仅为0.9克左右——极小的一点物质，就能撑起一次毁灭性的释放。

这正说明2是一个多么巨大的系数，也解释了为什么反过来"能量变质量"的过程在日常经验里几乎不可见，而只能在微观世界或者极高能量的对撞中被捕捉到。如果对能量-动量关系式两边取平方根，可以得到粒子能量与其质量和动量之间的表达式。

若将能量与动量在一维空间中的关系绘制成图，可以得到一条曲线，其中mc2是物体的静止质量能量，也是能量的最低可能值。但实际上，取平方根时应当在前面加上正负号，从而得到两条曲线：一条对应正能量，另一条对应负能量。

然而人们从未观察到能量小于零的事物，那到底意味着什么？在经典物理学中，答案很简单：直接忽略那些负能量解，因为它们在物理上无法代表任何东西。

但就在爱因斯坦提出狭义相对论的同时，物理学家们开始在原子物理学中观察到一些奇怪的现象，这些现象推翻了所有这些经典假设。首先，他们注意到，当观察电子等亚原子粒子的能级时，发现它们根本不是连续的，而是一份一份地跳跃。

而且它们的行为不仅像粒子，还像波。如果把电子发射到两条狭缝中，它们就会像光一样产生干涉图案。人们所面对的，是量子力学这个新兴领域。

1926年，薛定谔提出了他现在著名的波动方程，正式确立了这一领域，该方程描述了量子力学系统如何随时间演化。这是二十世纪最激进的新理论。

它既不像牛顿，也不像麦克斯韦，是完全崭新的理念。方程的解，即波函数，并不能像经典定律那样描述具有精确位置和动量的粒子；但它的模平方可以告诉我们粒子在特定时间出现在特定位置的概率。

问题在于，薛定谔方程本身并不满足狭义相对论的要求——它把时间和空间放在了不平等的位置上。于是，把相对论和量子力学缝合起来，就成了当时最棘手的一道难题。

真正把两者钉在一起的，正是那个在讲台上蹒跚而上的年轻人：保罗·狄拉克。他没有像同行那样把负能量解一脚踢开，而是硬着头皮认真对待。

他改写方程的形式，让能量既包含正解也包含负解，并且从这套形式里自然而然地推出了电子的自旋、磁矩，以及所有已知的电子性质。

这本来已经足够让人惊讶，但更惊人的还在后面——为了让那些负能量解不至于让宇宙里所有电子都掉进无底深渊，狄拉克提出，整个"负能量海"其实早已被填满，只有当其中一个位置被激发出去，才会在海面上留下一个"空穴"。

这个空穴看上去，就像一个和电子质量相同、电荷相反的粒子。一开始，狄拉克甚至怀疑那可能就是质子。但他很快意识到，质子太重了，那必定是一种全新的粒子。

几年之后，安德森在宇宙线实验中真的发现了这种粒子——正电子。

它与电子质量相同、电荷相反，与狄拉克方程预言的完全吻合。从此以后，反物质从一个数学怪影，变成了实验室里可以制造、可以测量、甚至可以用来做医学成像的真实存在。

现在我们知道，对于每一种亚原子粒子，都存在一个对应的、质量相同但电荷相反的反粒子。因此，质子有反质子，中微子有反中微子，以此类推。

据狄拉克的朋友海森堡说，这是二十世纪物理学最大的飞跃，即指出存在大量与粒子对应的反粒子，而狄拉克正是通过这个看似疯狂的模型实现了这一点。也正是在这个过程中，"能量能不能变成质量"这个问题，从一个哲学疑问变成了可以被验证的物理命题。

粒子和它们的反粒子是大小相等、性质相反的，当它们结合在一起时，会湮灭并产生两个光子，其能量等于它们自身的静止质量能加上动能。而且这个过程是可逆的：两个能量合适的光子可以产生一个物质–反物质对，这被称为布莱特–惠勒对产生。

这就是"能量转化为质量"最直接的实例——在高能加速器和天体环境中，物理学家已经不止一次地观测到光子对撞后凭空生出成对的粒子。爱因斯坦当年那条=2，在这里被从右往左读了一遍，而它依然成立。

在大爆炸后的最初时刻，宇宙炽热、稠密，充满了这些不断产生和湮灭的物质–反物质对。

如果产生的物质粒子和反物质粒子数量相等，人们可能会认为它们会在这种稠密的环境中相互湮灭，只留下能量。但事实并非如此，我们最终得到了一个充满物质的宇宙。

如果从今天宇宙中物质和反物质的数量反推，据估计，实际上只需要每十亿个物质粒子中有一个在那个炽热、稠密的时期幸存下来而不被湮灭。这微小的差异造就了我们今天以物质为主的宇宙构成。

那么是什么让这十亿分之一的粒子逃脱了湮灭？为什么物质战胜了反物质？这是一个相当大的问题，答案也并不简单。

能量究竟能不能变成质量？答案早已由狄拉克的方程写出，也由后来的实验反复验证。太阳每一秒把四百万吨质量烧成光和热，广岛的一场爆炸只让不到一克物质消失，这些都是质量流向能量的一侧；而在高能光子相撞、粒子对被凭空造出的那一瞬，天平又向反方向倾斜了一次。

c2这个庞大的系数决定了这种交换在宏观世界里总是显得吝啬，却也保证了它在微观深处始终真实。爱因斯坦当年在一张纸上写下的等式，就这样把宇宙从粒子到恒星、从最初的火球到今日的物质世界，重新拼成了同一件事的两个面。