为何一斤盐溶于一斤水,难以得到两斤总重?

一斤盐放入一斤水中,最后结果是不是两斤?答案很有可能不是两斤,如此简单的问题,藏有什么玄机呢?当你深究它会发现宇宙最底层的奥秘。

想要得到两斤并不容易

在高中化学与物理教材中,总会出现这样的字眼“恒温”,“绝热条件下”,“密闭容器中”,如果两种物质混合,无论是化学反应,还是物理反应,想要达到质量守恒,绝热(恒温)与密闭两个条件缺一不可,绝热意味着没有能量损耗,密闭意味着没有气体溢出,或者与外界物质发生反应。

一斤盐放入一斤水中,想要得到准确的两斤,同样需要以上苛刻的条件。首先,我们可以让室温保持不变,例如恒定为20℃。水与盐的温度也保持在20℃。第二,要说清楚是什么盐,如果食用盐(有些盐溶于水会吸热或放热)就没问题。第三,在密闭的容器中进行实验。即使是这样还要加上一条,空气质量需要忽略不计。如果不满足这些情况,即使是一斤水倒入一斤水中,你也得不到两斤水。

一斤水加一斤水等于两斤水吗?

讲这个问题之前,先说一下这里的“斤”指代的是物质的质量,并非重量。我们对比一下两个等式:

(1)1斤水+1斤水=2斤水

(2)1斤水+1斤水=n斤水+△E(△E代表能量的变化)

其中(1)在绝热、密闭的状态下,得到两斤水。(2)为非绝热状态下,例如:两个密闭容器中的80℃水混合后,放置一段时间会变凉,因为与环境存在温度差,混合后的水会丢失部分能量。爱因斯坦说丢失了能量,意味着丢失了质量,因此水混合后等于两斤。

1905年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》(狭义相对论)提出了质增效应:物体速度越快,相对质量越大。

在分子层面,分子运动越剧烈,意味着平均动能越高,相对质量越大,表现为温度越高。

基于质增效应,爱因斯坦对质量与能量的关系进一步升级,推导出质能方程。换句话说:质量、能量本质是一样的,它俩的比值,E/m=c^2,c是光速为定值。

狭义相对论只基于的两条公理:光速不变与惯性坐标系等价,并不局限于某一尺度。

一般来说,在宏观低速的情况下,牛顿力学完全够用,因为误差很小。但不可否认,狭义相对论更加准确,哪怕准确到小数点16位开外。

除此之外,狭义相对论也适用于微观与高速状态。总之狭义相对论可以计算飞船在太空遨游(双生子效应),也可以计算微观粒子间的相互作用(原子弹爆炸),具有普适性。

质量本质是什么?为什么质量就成了能量?

想要理解质量即能量,需要深入到量子力学领域,从物质的本质还原质量的真相。

简单来说,一切物质都由比原子、原子核更小的粒子构成,物理上把这种“切”到最后,再也无法分割的粒子称之为基础粒子。例如出电子,光子、夸克、胶子等等。这些微观粒子的行为,牛顿力学(经典物理)已经解释不了了,需要用一套全新的理论来解释也就是量子力学。

基础粒子本身都是零维的粒子,一个点,意味着它们没有体积,更谈不上质量。当它们发生运动就具备了(动)质量,例如光子。(关于量子核心波粒二象性,这里不赘述了,暂且把基础粒子都视为点粒子。)

图:宇宙中四大基本相互作用

相对静止的物质具有质量是源于粒子间的相互作用,例如:带电粒子(复合粒子)间的同性排斥异性相吸所代表的电磁力,还有强力,弱力,引力。粒子间相互作用越强,受到约束越大,意味势能越大,外在表现形式就是质量越大。

举个例子:有些粒子就像是明星,当它们通过广场时,大家纷纷围上去,明星受到很多人的束缚,质量较大。而你从广场上走过去,没人理你,因此你像一道光一样通过,不具备任何静态质量,这就是光子没有静态质量,还跑得很快的原因。

因此,相互作用的能量表现为质量。从相互作用的角度解释,当水温度升高,分子运动越剧烈,分子间斥力(电磁力)越大,因此质量越大。

综上所述:盐溶于水的过程,大概率不等于两斤。实验过程只要出一点差错,比如盐刚从超市买回来,外面的温度比室温低0.01度,或者实验过程,室温变化了0.01度,那么实验前后质量必然不相等,因为发生了能量变化。当然,从微小的误差可以忽略不计的角度来说,质量守恒,如果精确到能量的损耗,则质能守恒。