同一節電池，在電量充足時和電量不足時的質量是一樣的嗎？

01-23

我用手電筒照明，光是從我的手電筒里跑出去的嗎？光速是光的傳播速度，還是光粒子在空間中的位移速度？
光是一種物質？還是物質的一種運動狀態？

下面將題主的疑惑分成三部分進行解答~

1. 同一節電池，在電量充足時和電量不足時，質量一樣嗎？

愛因斯坦質能方程 $E=mc^{2}$ ，是狹義相對論的推論之一。其推導過程如下：

這個公式並沒有多麼神秘，它僅僅說的是一定的質量 $m$ 對應一定的能量 $E$ ，二者的定量關係由比例係數「光速的平方」 $c^{2}$ 聯繫起來。

於是，在狹義相對論的框架下，質量和能量不過是同一個物理量的兩種表示。任何體系內能量的變化都會引起相應質量的變化。對於電池也同樣如此。當然，不同種類的電池，工作原理也大徑相庭，因此電池在使用過程中質量究竟是增加還是減小，也不能一概而論。

2. 關於光的本質及輻射

經典物理中，麥克斯韋把光看成是一種電磁波，即電場和磁場的擾動向外傳遞的特殊運動形態，沒有任何粒子的特性；對於實物粒子（如電子、中子、質子等）則被純粹地認為是一種粒子，用於構成更複雜的物質結構，進而構成宏觀實體，沒有任何波的特性。

後來，人們發現黑體輻射、光電效應等，無法完全利用光的波動性加以解釋，於是物理學家開始把光看成是一些光子的集合，同時具有波動性，量子力學由此誕生。之後，那些實物粒子也被雙峰干涉實驗發現具有波動性，具有同光量子相同的性質於是，物理學把這個光與實物的都具有普適特性稱為「波粒二象性」，光與實物由此統一起來。

下面回到題主的問題。

光的本質就是可見光頻率的光子流，在真空中以光速 $c$ 傳播，與其他微觀粒子一樣具有波粒二象性。從這個意義上講，光是一種概率波。當光的粒子數密度極高，且探測儀器分辨本領遠低於一個光子的能量時，則可以看做是經典電磁波，其傳播遵循 Maxwell 方程組。

光子是一種基本粒子，是傳遞電磁相互作用的玻色子。（如圖）

發光的種類有很多。比如說：原子、分子由高能級躍遷至低能級往往會向外發射光子；熱輻射本質也是電磁輻射，一切不是絕對零度的物質都會向外熱輻射；螢火蟲通過化學反應發射光子。

根據量子場論，光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質，是與分子、原子一樣，是由更基本的結構組成的。而在經典的電動力學理論中，是沒有「光子」的概念的。

構成光的基本粒子――光子，作為玻色子，能夠連綿不斷地布滿所有能夠佔據的空間（靜質量為 0），並可以在燈泡發光時大量產生，燈泡熄滅時大量消失，原因是光子與實物粒子相互作用的過程中，光子數不是守恆的（準確地說是拉矢量中存在導致光子數不守恆的項）。

而構成宏觀物體的實物粒子，作為費米子，之間服從泡利不相容原理，它們相互之間保持著適當的平均距離，因而十分穩固不會塌陷。當然，這也是元素周期表存在的原因。費米子數目是守恆的，因此生活中，你也會注意到你自己和你身邊的物體都很穩定，並不像電燈泡在打開時發光，熄滅時卻不亮了。

3. 如何判斷一個物理實體是不是物質？

我們知道，自然界的物質形態有很多種。實物、場、暗物質、暗能量等都是自然界中普遍的物質存在形式。其中，暗物質、暗能量佔據了整個宇宙的約 96%。我們日常所提到的物質，嚴格地講應該叫實物――即由原子、分子構成的物質。場是傳遞相互作用的物質，譬如引力場、電場、磁場等。

之所以將場歸為物質，是因為場與原子一樣，能夠與其他物質傳遞能量和動量。這是判斷一個物理實體能否歸為物質的主要依據。

假設沒有場的話，要想解釋這個世界的性質，就不可避免地涉及超距作用。顯然，這是違背因果律的。根據狹義相對論，能量/信息傳播的速度不可能超過光速。

假如電場不存在，則兩個電荷之間的相互作用就是瞬時的，進而違背因果律。此外，相互作用的本質，就是物質之間能量、動量轉移的過程。能量的轉移需要時間，它是一個連續的過程。

這個觀點可以利用經典物理做出如下解釋：

事實上，根據牛頓第二定律，物體的合外力

${f F}=m{f a}=m frac{ m df v} {{ m d} t} oxed{=frac{{ m d} (m{f v})} {{ m d} t}=frac { m d f p}{{ m d} t}}$ 。

既然速度 $f v$ 不能突變，那麼力 $f F$ 又怎能突變呢？

由此可見，力並不是一個很本質的力學概念，「力」這個物理量自帶著物質之間動量轉移的連續性。所謂的相互作用，其實就是物質的動量 $f p$ 對時間 $t$ 的一階導數。在物理學中，動量 $f p$ 、能量 $E$ ，甚至是拉格朗日量 $L$ （定義為動能減勢能，即 $L:=E_{ m k}-E_{ m p}$ ）等一系列更為抽象的物理量，比力 $f F$ 更基本，甚至在相對論、量子物理中也適用。