动量有何意义？物理中动能与动量分别是什么？

如果您的目的是寻找错误或争论，那么您可能需要重新考虑，因为我已经给出了我的结论。由于我以前在粒子物理小组的工作经历，在这个视频中（参观欧洲核研究中心，了解改变世界的物理定律），我可能无意中造成了关于动能和动量的一些误解。考虑到一些观众仍在上中学，并且物理考试对这些概念有严格的定义，我认为有必要澄清这两个术语。

（以下讨论的术语主要以英文为准，中文翻译仅供参考。我的所有参考资料都是英文原文，加之我学习这些术语也是从英文开始的。不准确的中文翻译可能会引起误解，因此以英文术语为准。）

动能（Kinetic Energy）指的是物体因运动而拥有的能量。请注意，动能（Kinetic Energy）是描述物体的能量（Energy）。什么是能量呢？能量是物体对其他物理系统进行功的能力（这与我们通常理解的能量概念相同）。能量有多种形式，包括动能（Kinetic Energy）、势能（Potential Energy）、弹性能（Elastic Energy）、化学能（Chemical Energy）和辐射能（Radiant Energy）等。中学物理课程中常见的题型之一就是能量转换，尤其是重力势能与动能之间的转换，比如过山车问题。在经典物理学中，当速度远低于光速时，动能（Kinetic Energy）的表达式可以写为

有时候，我们也会用KE来代表动能（Kinetic Energy）。（能量是一个标量，即它只有大小，没有方向。这一点我们稍后会与动量进行对比。）请注意，这里的动能计算公式与在对撞机中计算粒子动能的公式不同，因为对撞机中的粒子速度接近光速，需要使用相对论（relativistic）公式来计算动能（Kinetic Energy）。即使在高速情况下，粒子的动能计算方式不同，但粒子仍然具有动能（Kinetic Energy）。那么，在加速器中的粒子除了动能外，还有哪些其他形式的能量呢？还包括物体的质量（Mass）所带来的能量。这里的质量指的是物体静止时的质量（Rest Mass）。爱因斯坦的质能等价公式描述了物体的质量能转换成多少能量。

湮灭反应（Annihilation）是目前唯一已知的能将质量完全转换为能量的过程。这种反应被视为未来航天器推进系统的潜在选择，因为它能将所有质量转换为能量，转换效率达到100%。这是目前已知的最高效反应。相比之下，普通民用太阳能板的效率不到20%，有些甚至低于10%。在这里，我们不考虑由引力产生的能量，这是粒子物理研究中的一个常见做法。引力被认为是一种非常微弱的力，在粒子物理研究中通常被忽略。因此，加速器中粒子的总能量由动能（Kinetic Energy）和质量提供的能量（Rest Mass Energy）组成，这就是其所有能量的来源。请记住这一点，因为我们将在后面的讨论中使用到这个概念。

动量（Momentum）的定义是物体的物理速度（velocity）与质量（Mass）的乘积。由于速度（velocity）是矢量（Vector），而质量（Mass）是标量（Scalar），因此动量（Momentum）也是矢量（Vector）。这意味着它不仅描述了物理性质的数值大小，还指明了这个物理性质的方向。在经典物理学中，当速度远远小于光速时，动量（Momentum）可以表示为

请注意，动量（Momentum）并不表示物体所具有的能量，而是表示物体运动的方向和趋势。动能可以从一个物体转移到另一个物体，例如保龄球撞击球瓶的情况就是动量转移的例子。只要遵守动量守恒定律（Conservation of Momentum），即撞击前后保龄球和球瓶的动量（Momentum）总和保持不变，就可以了。这就是为什么物理老师强调动能和动量是不同的概念的原因。

通过观察两者的等式，我们可以推导出，在经典物理学中，当速度远远小于光速时，动能（Kinetic Energy）和动量（Momentum）之间的关系为

这个等式不仅联系了动能（Kinetic Energy）和动量（Momentum），而且还将等式右侧的矢量转换为等式左侧的标量。以一个简单的数字示例来说明，不考虑物理单位：

假设一个物体的质量为1，其动能（Kinetic Energy）为10，则其动量（Momentum）的平方为20。如果另一个物体的质量为10，动能（Kinetic Energy）为10，则其动量（Momentum）的平方为200。再比如，如果一个物体的动量（Momentum）的平方为20，但其质量仅为0.01，则其动能（Kinetic Energy）将为2000。

从这个示例中我们可以看出，如果你只知道一个物体的动能（Kinetic Energy），那么可能存在多种情况：

它可能是一个小质量物体，具有较小的动量（Momentum）；或者是一个大质量物体，具有较大的动量（Momentum）。或者在相同的动量（Momentum）下，质量较小的物体将具有非常大的动能（Kinetic Energy）。

因此，仅知道动能（Kinetic Energy）并不能确定物体的动量（Momentum），还需要知道其质量。所以动能和动量并不是同一概念。

我曾在粒子物理小组工作，主要负责欧洲核研究中心CERN的大型强子对撞机LHCb和超低温低能粒子研究。我们的研究方向是CPT对称性破坏（CPT Symmetry Broken）。我在这里讨论的内容并不适合即将参加物理考试的学生，因为它可能会引起概念上的混淆。我在这里分享的内容是基于实验粒子物理小组平时讨论问题的习惯，并不会作为任何知识点记录在教科书或论文中。我之所以想分享这些内容，而不是严格的物理知识，是因为我希望大家能看到我们的工作实况。