一斤鹽放到一斤水里會(huì)是兩斤嗎?

把一斤鹽放入一斤水中會(huì)得到什么？按照常理來(lái)講，我們應(yīng)該得到兩斤鹽水。然而事實(shí)上有人做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果稱重的結(jié)果總是比兩斤小。

我們都知道質(zhì)量守恒定律是自然界的基本定律。但鹽水的實(shí)驗(yàn)好像打破了這一定律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一出，網(wǎng)友們炸開(kāi)了鍋。有人認(rèn)為這是偽科學(xué)，一斤水加上一斤鹽肯定會(huì)得到兩斤。也有人認(rèn)為這很正常，自然界無(wú)奇不有，人類根本沒(méi)完全掌握規(guī)律。具體是怎么回事呢？讓我們從頭說(shuō)起。

質(zhì)量守恒定律

質(zhì)量守恒定律是物理學(xué)中的一個(gè)基本定律。它表明在任何物理或化學(xué)變化中，系統(tǒng)中所有物質(zhì)的質(zhì)量之和保持不變。

例如，當(dāng)一塊冰塊融化成水時(shí)，質(zhì)量守恒定律要求冰塊的質(zhì)量與生成的水的質(zhì)量之和（即冰水混合物的質(zhì)量總和）保持不變。雖然物質(zhì)的形態(tài)發(fā)生了變化，但質(zhì)量的總量保持不變。

質(zhì)量守恒定律的概念和觀察最早可以追溯到古希臘時(shí)期。然而，它的明確表述和系統(tǒng)化歸因可以追溯到18世紀(jì)。1756年俄國(guó)化學(xué)家米哈伊爾·羅蒙諾索夫（Mikhail Lomonosov）在實(shí)驗(yàn)中煅燒錫，并觀察到在錫的氧化過(guò)程中，容器和容器內(nèi)物質(zhì)的總質(zhì)量保持不變。于是他得出結(jié)論：化學(xué)變化中物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的。然而這一發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并未得到重視，直到1977年，法國(guó)科學(xué)家安托萬(wàn)·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）做了同類的實(shí)驗(yàn)并得到同樣的結(jié)論，質(zhì)量守恒定律才獲得公認(rèn)，成為了自然界基本定律之一。

一斤水加上一斤鹽

其實(shí)一斤水加上一斤鹽這個(gè)標(biāo)題本身就存在一定陷阱，因?yàn)辂}是存在溶解度這個(gè)說(shuō)法的。所謂溶解度是指在特定溫度和壓力下，溶液中可以溶解的鹽的最大量。對(duì)于氯化鈉（NaCl）來(lái)說(shuō)，在常溫下（約為25攝氏度）下，其溶解度大約是36克/100毫升水。

水的密度為每升1000克，也就是說(shuō)1斤水大約等于500克，也就是說(shuō)1斤水最多可以溶解180克的鹽，把一斤水和一斤鹽放在一起，實(shí)際上會(huì)得到一定的鹽水和未溶解的鹽。那么拋去標(biāo)題中的陷阱，1斤水加上1斤鹽混合在一起，其鹽水和未溶解的加在一起其實(shí)也不到兩斤，這是為何呢？不是說(shuō)好的質(zhì)量守恒嗎？這就要說(shuō)到愛(ài)因斯坦的發(fā)現(xiàn)了。

質(zhì)量即能量

愛(ài)因斯坦認(rèn)為質(zhì)量即能量。所謂能量是物體或系統(tǒng)執(zhí)行工作所具有的能力。它是物質(zhì)和場(chǎng)的狀態(tài)，可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能力。能量的定義是具有物理量綱的標(biāo)量，其單位是焦耳（J）。除了焦耳，其他常見(jiàn)的能量單位還包括千卡（kcal）、千瓦時(shí)（kWh）等。

人類對(duì)能量的認(rèn)知起始于古希臘，但真正研究起來(lái)是在17世紀(jì)。當(dāng)時(shí)，德國(guó)物理學(xué)家威廉·奧斯特瓦德·萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）和英國(guó)物理學(xué)家羅伯特·墨勒（Robert Boyle）等人在研究運(yùn)動(dòng)和力學(xué)時(shí)開(kāi)始思考能量的性質(zhì)，萊布尼茨與笛卡爾還曾有一場(chǎng)著名的活力之爭(zhēng)。這時(shí)對(duì)能量的了解是粗淺的，直到19世紀(jì)中期，德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。

亥姆霍茲通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了能量在不同形式之間的轉(zhuǎn)換，例如熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能轉(zhuǎn)化為光能等。他認(rèn)識(shí)到在自然界的各種過(guò)程中，能量的總量始終保持不變。于是他得出結(jié)論：在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量的總量保持不變，即能量不會(huì)被創(chuàng)造或銷毀，只會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化。例如，當(dāng)一個(gè)物體從高處落下時(shí)，它的重力勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。雖然能量的形式發(fā)生了改變，但總能量保持不變。同樣，當(dāng)我們將木材燃燒時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和光能，但總能量仍然保持不變。

愛(ài)因斯坦在研究光的行為和研究電磁輻射時(shí)，注意到光的能量與其頻率有關(guān)。他發(fā)現(xiàn)能量與質(zhì)量之間存在某種關(guān)系，并開(kāi)始思考質(zhì)量和能量之間的等價(jià)性。通過(guò)分析光的行為以及以太假設(shè)的問(wèn)題，愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出了質(zhì)能關(guān)系的表達(dá)式，并得出了質(zhì)量和能量之間的等價(jià)性，即質(zhì)能關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式是E=mc²，其中E表示能量，m表示物體的質(zhì)量，c表示光速（即真空中的光速）。

這個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式表明了質(zhì)量和能量之間的等價(jià)性。換句話說(shuō)，質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。這表明了物質(zhì)的一部分質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量；而能量也可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量；這顛覆了傳統(tǒng)物理學(xué)中質(zhì)量和能量是獨(dú)立存在的觀念，也完美解釋了一斤水加上一斤鹽為什么不等于兩斤的問(wèn)題。

現(xiàn)在質(zhì)量守恒定律的詳細(xì)解釋為：在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)）中，不論發(fā)生何種變化或過(guò)程，其總質(zhì)量保持不變。其關(guān)鍵就在于這個(gè)孤立系統(tǒng)，指的是與外部環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)或能量交換的系統(tǒng)。在孤立系統(tǒng)中，沒(méi)有物質(zhì)或能量可以進(jìn)入或離開(kāi)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的能量總量保持不變。孤立系統(tǒng)的特點(diǎn)是封閉性，它與外部環(huán)境隔離，沒(méi)有與外界進(jìn)行物質(zhì)或能量的交換。這意味著系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)組成和能量分布是恒定的，系統(tǒng)內(nèi)部的過(guò)程僅受到系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的影響。

然然孤立系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)是不存在的。無(wú)論我們?cè)谀睦镒鰧?shí)驗(yàn)，都很難避免與外部環(huán)境完全隔離。換言之一部分質(zhì)量將轉(zhuǎn)換為能量轉(zhuǎn)移，因此最后留下物質(zhì)的能量無(wú)法達(dá)到兩斤。

在具體的實(shí)驗(yàn)中，1千克的硝化甘油爆炸后會(huì)釋放8,000,000焦耳（8,000千焦）的能量，根據(jù)質(zhì)能公式，產(chǎn)生這些能量的質(zhì)量是8.9×10^(-8)克，與原本的質(zhì)量相比微乎其微。因此在實(shí)驗(yàn)和實(shí)用中，質(zhì)量守恒定律可以說(shuō)是完全正確的。然而在研究核彈時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)了不同之處。1千克鈾235裂變會(huì)放出8.23×10^26焦耳的能量，產(chǎn)生這些能量的質(zhì)量是0.914g，這已經(jīng)接近千分之一的水準(zhǔn)。于是科學(xué)家們將質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律合二為一，成為質(zhì)能守恒定律。

放在鹽水實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是水溫還是溶解，實(shí)際上都有能量運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致鹽水總質(zhì)量減少，當(dāng)然這個(gè)減少的量微乎其微，必須用專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備才能稱量出來(lái)，但毫無(wú)疑問(wèn)，它的確是減少了，得不到兩斤的總重量。

結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)和實(shí)用中，質(zhì)量守恒定律得到了廣泛的驗(yàn)證和應(yīng)用。無(wú)論是化學(xué)反應(yīng)、溶解過(guò)程還是其他物質(zhì)變化，總質(zhì)量保持不變是一個(gè)基本的觀察結(jié)果。

我們今天對(duì)能量和質(zhì)量之間關(guān)系的理解得益于歷史上眾多科學(xué)家的努力和研究。從古希臘時(shí)期開(kāi)始，人們對(duì)能量的概念逐漸形成，并在17世紀(jì)開(kāi)始對(duì)其性質(zhì)展開(kāi)深入探究。隨著時(shí)間的推移，赫爾曼·馮·亥姆霍茲的能量守恒定律以及愛(ài)因斯坦的質(zhì)能等價(jià)原理等重要發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步豐富和完善了我們對(duì)能量和質(zhì)量關(guān)系的理解。

盡管現(xiàn)實(shí)中不存在完全隔離的孤立系統(tǒng)，質(zhì)量和能量的轉(zhuǎn)化可能受到微小的影響，例如化學(xué)反應(yīng)或能量轉(zhuǎn)移，但這并不改變質(zhì)量守恒定律的基本原則。質(zhì)量守恒定律在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中仍然被廣泛應(yīng)用，并被視為一個(gè)重要的物理定律。

總的來(lái)說(shuō)，質(zhì)量和能量之間存在著密切的關(guān)系，這一觀念由愛(ài)因斯坦的質(zhì)能等價(jià)原理得出。質(zhì)量即能量，意味著質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，而能量也可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。然而，在日常生活中的大多數(shù)情況下，質(zhì)量和能量的轉(zhuǎn)化是微不足道的，不會(huì)對(duì)總質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響，這符合質(zhì)量守恒定律的原則。

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