质能守恒定律

物理学术语

质能守恒定律是质量守恒定律与能量守恒定律的总称，主要是指在一个孤立系统内所有粒子的相对论静能与动能之和在相互作用过程中保持不变。质能守恒定律充分反映了物质和运动的统一性。

内容

在经典物理学中，质量守恒定律与能量守恒定律彼此是完全独立的。因为质量的数值不决定于能量的数值，能量的数值也不决定于质量的数值。而且还有这种情况，即在系统与外界发生相互作用时，从经典物理学的观点看来，系统的能量虽然不守恒，但质量却可以是守恒的。这是因为在经典物理学中仅仅考虑系统内部各个物体之间的相互作用能。按照质能关系式，与各个物体的动能以及各个物体间的相互作用能相对应,也有一定的质量。这部分质量在经典物理学中通常是不考虑的。

在相对论中，由于质量和能量之间存在着当量关系，它们是密切联系着的。所以，对一个封闭系统来说，系统内一个物体的能量减少时，其质量也相应地减少；系统内另一个物体能量增加时，其质量也相应地增加。即从封闭系统的质量守恒，必然得到能量守恒，反之亦然。因而在相对论中，存在着统一的能量—质量守恒定律，这两个基本的自然定律是紧密联系、完全一致的。这也从一个侧面反映出物质和运动的不灭性以及物质和运动的统一性。

所以，在经典物理学和相对论物理学中，对质量守恒定律和能量守恒定律这两个基本自然规律的解释，是有原则性区别的。

相关公式

根据相对论动力学的基本方程和质量与速度的关系式，可以推出著名的相对论质能关系式：

E = mc2 (1)

mc2= Ek+moc2 (2)

△E = △mc2 (3)

(1)式表明，具有能量E的任何物质(包括实体物质和场物质)同时具有质量m，物体的总能量与总质量成正比。

(2)式表明，物体的总能量由两部分组成：一是物体静止时具有的静止能量；二是物体运动时才有的动能，物体的总能量等于它的静能和动能之和。

(3)式表明，能量变化与质量变化之间的关系。

提出过程

质量和能量都是物质的重要属性。质量可以通过物体的惯性和万有引力现象而表现出来；能量则通过物质系统状态变化时对外作功、热传递等形式而表现出来。在牛顿力学中，质量和能量之间，是相互独立的，没有关系的。在相对论力学中，能量和质量只是物体的统一力学性质的两个不同方面。在表面上完全不同的事物之间，寻找它们内在的联系，这是自然科学的一个永恒的主题。1905年爱因斯坦的第一篇相对论论文发表后三个月，他又专门写了一篇不到两千字的论文来讨论惯性质量与能量的关系，直到1907年才把完整的结论阐明。他的答案是：物体的惯性质量就是物体的能量的度量。这个富有哲学味道的科学论断，就是常常被誉为新时代标志之一的著名的爱因斯坦质能关系式。

价值和意义

爱因斯坦提出的质能关系式是相对论动力学的一个重要成果，在狭义相对论中占有重要的位置。

爱因斯坦质能关系式指出质量和能量这两个重要物理量之间密不可分的联系：一个物体的质量与它的能量之间有确定的数量关系；具有能量E的任何物质客体，同时具有质量m；具有一定质量m的物质客体也必具有和这质量相关的能量E。因此，质量不仅可作为物体惯性的量度，也可作为它能量的量度。也就是说，爱因斯坦质能关系式反映了物质的两个基本属性——质量和能量之间存在着的普遍关系和不可分割的联系：物体的质量与能量有固定的比例关系，它们是相互联系、相互制约的物质属性，不是绝对对立和分离的；质量和能量同属物质的属性，它们互以对方的存在为自己存在的前提，世界上没有脱离质量的能量，也没有脱离能量的质量；有质量就有能量，有能量就有质量，不能把能量和质量分割开来。

相对论的这个发现，不仅推翻了把质量和能量“非此即彼”绝对化的形而上学的观点，而且深刻地反映出任何物质自身属性“变与不变”的对立统一。在一定意义上也表现了物质和运动的不可分割性：物质总是在运动，运动总是指物质的运动；没有不运动的物质，也没有无物质的运动。

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