1905年9月26日，爱因斯坦发布了《论运动物体的电动力学》一文，这篇文章后来成为了著名的狭义相对论的起点。紧接着，次日他又发布了另一篇论文《物体的惯性是否与它所包含的能量相关？》，即我们今天熟知的质能方程的由来。尽管这篇文章篇幅不长，但它却奠定了一个原理，这一原理在数十年后为物质的本质提供了解释。我们今天所熟悉的质能方程——E=mc²，意味着能量等于质量乘以光速的平方。那么，这个方程到底意味着什么？它的来龙去脉又是什么？为速无法被超越？让我们一起来探讨。
在深入质能方程之前，我们首先需要了解相对论中的一个重要现象——运动物体的质量会发生变化。对于地面上的观察者而言，随着物体速度的增加，它的质量会显著增大。这个相对论效应的证明过程有些复杂，但我们可以尝试从中找出其中的原理。
1. 动量守恒
1.1 动量的定义
动量是物理学中非常重要的概念。简单来说，一个物体的动量是其质量和速度的乘积。可以将动量看作是物体运动状态的一种度量，反映了要使物体停止所需的难度。显而易见，当物体速度较快时，停止它所需的力量也更大。例如，一辆以100公里每小时行驶的大货车，要比同样速度的小轿车更难停车。动量的公式便是质量乘以速度。
1.2 动量守恒
动量守恒定律则是物理学中的一条基本法则，它表明在没有外力作用的情况下，任何封闭系统内的总动量在所有相互作用和碰撞之后仍然保持不变。比如，假设一个小球（质量为m，速度为v）与一个大球（质量为M，速度为V）发生碰撞。在碰撞过程中，无论球的速度变化如何，动量的总和——即mv+MV——始终会保持不变。即使两球发生粘合，变成一个整体，动量仍然守恒。
动量守恒也适用于的情况。假设一个大球M以速度V运动，里面装有炸。当炸时，球成两个小块，质量分别为m1和m2，速度分别为v1和v2。根据动量守恒，前后动量之和仍然相等，即MV = m1v1 + m2v2。
2. 为什么运动物体的质量会增加？
了解了动量守恒后，我们可以进一步解释为什么运动中的物体会出现质量增大的现象。
2.1 思维实验
假设有一个质量为M的大球，它以速度v相对于地面运动。球内的观察者爱因斯坦与球是静止的。假设爱因斯坦放置了一个，并在控制下引爆，将大球炸成两个相等的小球。每个小球的速度相对于爱因斯坦为v。根据观察，爱因斯坦与大球之间的速度关系保持不变。
对于地面上的观察者来说，其中一个小球的运动速度将被抵消，静止不动；而另一个小球则继续以某一速度向前运动。地面上的观察者看到的运动速度并不是简单的2v，而是经过相对论效应修正后的速度。
2.2 动量守恒的应用
接下来，我们应用动量守恒定律。考虑到在前后系统没有受到外力的作用，系统的动量应该保持恒定。假设前大球的动量是Mv，后其中一个小球静止，而另一个小球的速度比2v小。为了保持动量守恒，我们可以推导出一个结论：这个小球的质量比原来的一半还要大。也就是说，运动中的物体的质量会随速度增加而增加。
3. 质能方程的来源
既然我们知道了物体在运动时质量会增大，接下来我们可以推导出著名的质能方程E=mc²。
3.1 经典力学中的动能
在经典力学中，物体的动能由力对其做功并推动其运动产生。通过牛顿的第二定律和微积分，可以推导出动能公式：动能等于质量乘以速度的平方除以2。在经典物理框架下，动能的表达式就是这个形式。
3.2 相对论中的质量变化
与经典力学不同，在相对论框架下，物体的质量是随速度变化的。在计算物体能量时，必须考虑到质量随速度的增加。在公式中引入速度对质量的影响后，再进行微积分运算，可以得出相对论中的总能量公式：E=mc²。此处的m表示在相对论框架下计算出来的质量。
3.3 质能方程的意义
质能方程揭示了能量和质量之间的深刻联系。它告诉我们，能量和质量是同一事物的两种表现形式，并且它们可以互相转化。尽管我们目前只观察到质量转化为能量的过程（例如核反应），但理论上，能量也能够转化为质量。质能方程的一个显著特点是，它表达了能量释放的巨大潜力。比如，仅仅1公斤的质量完全转化成能量，就可以释放出9×10¹⁶焦耳的能量，这足以将200亿吨水加热至沸腾。
4. 光速为何不可超越？
让我们来看一下质能方程的一个重要推论：光速是不可超越的。
4.1 速度与能量的关系
根据相对论，当我们加速一个物体时，物体的质量也随之增大。随着速度接近光速，质量的增加变得愈加明显。事实上，当物体速度接近光速时，物体的质量将无限增加，因此我们无法让一个静止物体加速到光速。
4.2 静质量与动质量
光速是唯一不受此限制的，因为光本身没有静止质量。正因为如此，光的速度恒定为光速，这也是为什么光能够以光速传播的原因。同理，其他像胶子这样的粒子也没有静止质量，因此它们的速度也是光速。
4.3 质能转化实例
在粒子物理领域，科学家们通过加速质子至接近光速并使其发生碰撞，发现了新的粒子，如“J/ψ介子”。这些粒子并非质子的“碎片”，而是质子所携带能量的转化产物。这一现象正是质能转化的经典例子。
爱因斯坦的狭义相对论基于光速不变的原理，即无论观察者如何运动，光速始终不变。基于这一原理，我们得出了许多反直觉的结论：运动物体的时间变慢、长度变短、质量增大。最终，这些结果帮助我们推导出了质能方程E=mc²，揭示了能量与质量的本质联系，并证明了光速是自然界的速度极限。通过相对论，爱因斯坦还揭示了时间和空间并非独立存在，而是相互关联，且由物体的运动状态决定。“相对论”这一名字正是体现了这一宇宙中的所有观测结果都是相对的，并没有绝对的参考系。