具体来讲，任何一个质量的存在，都会对其周围的空间产生弯曲效应，并对邻近的质量物体施加一种作用力，这种作用力被称为万有引力。质量本身的存在，就可以视为一种特定形式的能量。
这句话或许有些违背直觉，因为在物理学中，我们通常将能量视为完成某项工作的能力：也就是说，完成工作的能力。如果你只是坐在椅子上休息，即便你具有质量，你能完成什么呢？
在解答这个问题之前，让我们先来探讨一下质量物体的另一面：无质量的物体。
在宇宙中，存在一些完全无质量的粒子，比如光子。这些粒子同样携带一定数量的能量，这一点很容易理解，因为光子可以与物质发生相互作用，被物质吸收，并将能量传递给该物质。拥有足够能量的光子甚至能加热物质，为其增加动能（及速度），将电子提升至原子中的更高能量状态，或者甚至将原子电离，具体效果取决于光子的能量。
无质量粒子（例如光）所携带的能量，仅仅由其频率和波长决定，二者的乘积总是等于无质量粒子的运动速度，即光速。因此，波长越长意味着频率越低，能量也越小；相反，波长越短意味着频率越高，能量也越大。尽管我们可以降低一个大质量粒子的速度，但尝试从一个无质量粒子中移除能量只会延长其波长，而并不会降低其速度。
在考虑了所有这些因素之后，我们来探讨一个关键问题：质量和能量是如何实现等效转换的？也就是说，我们可以通过让一个反物质粒子与一个物质粒子（例如电子与正电子）相撞，生成无质量的粒子（例如两个光子）。
但为何这两个光子的能量恰好等于电子（和正电子）的质量乘以光速的平方呢？为什么方程中没有其他因子或常数？为什么方程必须是E=mc^2的形式？
事实上，如果狭义相对论是正确的，那么这个方程必须是E=mc^2，不允许有任何偏差。让我们来解释一下为什么会这样。想象一下，在空间中有一个静止的盒子，盒子两侧各放置一面镜子，一个光子朝向里面的镜子移动。
爱因斯坦的思维实验是这样的。在盒子内部，光子从一侧发出，并向另一侧传播。由于系统必须保持动量守恒，因此在光子发射的瞬间，盒子会受到反冲而向相反方向移动。最终，光子会与盒子另一侧发生碰撞，将所有动量传递给盒子。系统总的动量保持不变，因此这一碰撞使得盒子停止移动。
但是存在一个问题。因为没有外力作用于这个系统，盒子的质量中心应当保持在原位。然而，盒子已经发生了移动。那么盒子的移动是如何与系统质量中心保持一致的呢？
爱因斯坦解决了这个明显的矛盾，他提出光子的能量必定有一个等效的质量。也就是说，光子的能量必须等同于在盒子中从一侧到另一侧移动的质量，一部分质量从盒子的一侧移动到了另一侧，即便盒子本身向相反方向移动了一点点，但盒子的质量中心位置保持不变。
让我们用数学方法来思考这个实验。对于光子的动量，我们采用麦克斯韦方程来表示具有特定能量的电磁波的动量。如果光子能量为E，光速为c，那么光子的动量为：P（光）=E/c。
质量为M的盒子将以速度v缓慢地向与光子相反的方向移动，盒子的动量为：P（盒）=Mv。
光子需要时间Δ t才能到达盒子的另一侧。此时，盒子已经移动了Δ X的距离。因此，盒子的速度可以表示为：v=Δ X/Δ t。
根据动量守恒定律，我们有：M（Δ X/Δ t）=E/c。
如果盒子的长度为L，那么光子穿过盒子所需时间为：Δ t=L/c。
将此代入动量守恒方程，并重新整理：MΔX=EL/c^2。
假设光子有质量，用m表示，那么整个系统的质量中心可以计算如下：如果盒子位于x1，光子位于x2，那么系统的质心为：
我们希望整个系统的质心保持不变。因此，实验开始与结束时的质心应相同。数学上表达为：
光子从盒子一侧开始，即x2=0。重新整理上述公式，我们得到：mL=MΔX。
将M（Δ X/Δ t）=E/c代入mL=MΔX，我们得到mL=EL/c^2。
重新整理得到最终公式：E=mc^2。
如果方程中加入其他常数，方程将失去平衡，那么在每次吸收或发射光子时，能量将不断增加或减少。20世纪30年代，我们终于发现了反物质，亲眼目睹了能量转化为质量，再转化为能量的过程，验证结果与E=mc^2完全吻合。返回搜狐，查看更多