在日常生活中，將鹽放入水中溶解，是再平常不過(guò)的事。我們往往不會(huì)去細(xì)究鹽溶解后，鹽水整體的重量究竟是等于 2 斤，還是大于或小于 2 斤。
畢竟，這問(wèn)題乍一看太過(guò)簡(jiǎn)單，似乎不值得深入思考。
然而，當(dāng)我們對(duì)物理學(xué)有了更深入的了解后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，實(shí)則蘊(yùn)含著深刻的宇宙奧秘。
先暫且不論一斤水能否溶解一斤鹽。
按照常識(shí)，或者說(shuō)在 20 世紀(jì)之前人類(lèi)的認(rèn)知里，1 斤水加上 1 斤鹽，就是簡(jiǎn)單的 1 + 1，結(jié)果自然是 2 斤。
因?yàn)辂}溶于水，僅僅是普通的化學(xué)溶解反應(yīng)，反應(yīng)后產(chǎn)物的原子種類(lèi)和原子量都未發(fā)生任何改變。因此，我們理所當(dāng)然地認(rèn)為，1 斤鹽放入 1 斤水中，總質(zhì)量就是 2 斤。在初中和高中的知識(shí)體系里，這無(wú)疑是正確的，其理論依據(jù)便是物質(zhì)守恒定理，也稱(chēng)作質(zhì)量守恒定律。
質(zhì)量守恒定律表明，物質(zhì)在發(fā)生任何物理變化，如捶打變形、加熱、冷卻，以及化學(xué)反應(yīng)，如氧化、還原之后，生成物質(zhì)的總量，始終等于參與反應(yīng)的物質(zhì)總量。
憑借這個(gè)定律，我們能夠?qū)瘜W(xué)反應(yīng)式進(jìn)行兩邊配平。想必大家對(duì)配平化學(xué)方程式都不陌生，這是每個(gè)學(xué)習(xí)化學(xué)的人都必須掌握的基本技能，更是學(xué)好化學(xué)的關(guān)鍵所在。
以鹽酸和氧化鐵的反應(yīng)為例：6HCl + Fe?O? = 2FeCl? + 3H?O。在這個(gè)反應(yīng)中，雖然物質(zhì)的形態(tài)徹底改變，生成了氯化鐵和水，但反應(yīng)前后原子的種類(lèi)和數(shù)量并未發(fā)生變化，這便是質(zhì)量守恒定律的生動(dòng)體現(xiàn)。
倘若我們的認(rèn)知僅停留在高中知識(shí)層面，那么 “1 斤鹽加 1 斤水質(zhì)量如何變化” 這一問(wèn)題，似乎就能輕松得到答案：無(wú)論發(fā)生何種化學(xué)變化，質(zhì)量都不會(huì)改變。
事實(shí)上，在 20 世紀(jì)之前，質(zhì)量守恒定律一直被科學(xué)界奉為鐵律。
然而，當(dāng)時(shí)間來(lái)到 20 世紀(jì)，人類(lèi)進(jìn)入大學(xué)知識(shí)階段，接觸到原子核與相對(duì)論后，事情變得復(fù)雜起來(lái)。20 世紀(jì)初，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了重元素的衰變現(xiàn)象，這是一種原子核層面的反應(yīng)。如今我們知道，任何比鉛重的元素，其原子核都是不穩(wěn)定的。
經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，這些元素會(huì)衰變?yōu)楦p的元素。若衰變后的元素依然不穩(wěn)定，便會(huì)繼續(xù)衰變，直至形成穩(wěn)定的鉛元素。
在研究元素衰變的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)難以解釋的奇怪現(xiàn)象：放射性元素在經(jīng)歷 α 衰變或 β 衰變后，生成物質(zhì)的質(zhì)量總是略微小于衰變前的質(zhì)量。
這顯然與人類(lèi)數(shù)百年來(lái)堅(jiān)信的質(zhì)量守恒定律相悖，一時(shí)間，這個(gè)現(xiàn)象成為了物理學(xué)界的一大謎題。新現(xiàn)象無(wú)法得到解釋?zhuān)@表明我們對(duì)物理學(xué)真理的理解存在偏差，同時(shí)也說(shuō)明，一直被視為鐵律的質(zhì)量守恒定律并不完善。
1905 年，愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論，通過(guò)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了著名的質(zhì)能方程式：E = mc2。
這個(gè)方程雖然簡(jiǎn)潔，卻揭示了一個(gè)深刻的道理：質(zhì)量只是能量的一種表現(xiàn)形式。在宇宙中，比質(zhì)量更為基本的是能量，比質(zhì)量守恒定律更具普遍性的是能量守恒定律。
也就是說(shuō)，一個(gè)物質(zhì)所包含的能量，既包括自身的靜止質(zhì)量，也包括其具有的動(dòng)能。而靜止質(zhì)量又由組成物質(zhì)的粒子質(zhì)量，以及粒子之間的結(jié)合能構(gòu)成。
放射性元素衰變后出現(xiàn)質(zhì)量損失，正是因?yàn)橐徊糠衷雍说慕Y(jié)合能以熱量的形式耗散掉了。
由于能量和質(zhì)量等價(jià)，所以反應(yīng)后物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)輕微損失。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，粒子的種類(lèi)和數(shù)量雖然沒(méi)有改變，但化學(xué)反應(yīng)同樣會(huì)放熱或吸熱。放出的熱量來(lái)源于分子或原子之間化學(xué)鍵儲(chǔ)存的能量，而吸收的熱量則會(huì)被儲(chǔ)存于化學(xué)鍵中。
由于化學(xué)反應(yīng)釋放或吸收的能量極其微小，對(duì)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的影響微乎其微，難以察覺(jué)，這也是人類(lèi)在 20 世紀(jì)之前，一直認(rèn)為物質(zhì)質(zhì)量守恒的原因。但核反應(yīng)截然不同，核反應(yīng)損失的能量較大，相應(yīng)的質(zhì)量變化也較為明顯。
因此，直到 20 世紀(jì)初，人們才發(fā)現(xiàn)核反應(yīng)前后質(zhì)量并不守恒，真正守恒的是能量。
掌握了上述知識(shí)，我們?cè)賮?lái)探討開(kāi)篇的問(wèn)題：1 斤鹽和 1 斤水放在一起，質(zhì)量發(fā)生變化了嗎？
這需要分兩種情況進(jìn)行分析。
如果實(shí)驗(yàn)是在開(kāi)放系統(tǒng)中進(jìn)行，系統(tǒng)能夠與外界進(jìn)行熱量交換，那么鹽在溶于水的過(guò)程中，會(huì)因化學(xué)鍵的斷裂而輕微釋放能量。若這部分能量以熱量的形式耗散到外界，那么反應(yīng)后產(chǎn)物的總質(zhì)量將會(huì)減小，只是這種變化很難被察覺(jué)。
反之，如果實(shí)驗(yàn)是在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，系統(tǒng)不會(huì)與外界發(fā)生任何熱量交換，根據(jù)能量守恒定律，對(duì)這個(gè)封閉系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，反應(yīng)前后系統(tǒng)的質(zhì)量不會(huì)發(fā)生任何改變。
由此可見(jiàn)，1 斤鹽溶于 1 斤水時(shí)，質(zhì)量變化極為微小，幾乎可以忽略不計(jì)。
因此，你既可以認(rèn)為反應(yīng)后產(chǎn)物的質(zhì)量為 2 斤，也可以認(rèn)為其質(zhì)量略小于 2 斤，這兩種觀點(diǎn)都無(wú)可厚非。
但更為重要的是，我們要明白鹽在溶于水的過(guò)程中究竟發(fā)生了什么，理解其中蘊(yùn)含的科學(xué)道理。
看到了吧，一個(gè)看似微不足道的生活實(shí)驗(yàn)，卻蘊(yùn)含著宇宙中最為根本的真理與鐵律。它們看似簡(jiǎn)單，人類(lèi)卻耗費(fèi)了漫長(zhǎng)的時(shí)間才得以發(fā)現(xiàn)。
其一是質(zhì)量是能量的一種表現(xiàn)形式，這揭示了能量才是宇宙萬(wàn)物的基石，能量創(chuàng)造了世間萬(wàn)物；其二是能量守恒定律，自宇宙誕生伊始，其所蘊(yùn)含的能量，直至宇宙終結(jié)，都不會(huì)消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。
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