Dette vil uundgåeligt være et utilfredsstillende svar, fordi dit spørgsmål er langt mere kompliceret end du (sandsynligvis) er klar over. Jeg prøver et svar generelt, men du er nødt til at forstå, at dette er en bleg skygge af fysikken, der beskriver dette område.

Under alle omstændigheder var Einstein den første til at få øje på, at energi og masse var ækvivalente, og du har uden tvivl hørt om hans berømte ligning $ E = mc ^ 2 $. I disse dage skriver vi dette som:

$$ E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4 $$

hvor $ p $ er momentum og $ m $ er resten af ​​massen. Imidlertid forklarer relativitet ikke hvordan materie og energi kan udskiftes. Det måtte vente i flere årtier på udviklingen af ​​ kvantefeltteori (forkortet QFT).

Hvis du aldrig har stødt på QFT, vil det slå dig som en meget mærkelig måde at se på i verden. Vi er vant til at tænke på partikler som elektroner som objekter, ligesom makroskopiske objekter undtagen mindre og uklarere. Imidlertid er der i QFT et elektronfelt, der gennemsyrer hele universet, og hvad vi tænker på som en elektron er en excitation i dette felt. Tilsvarende er der et fotonfelt, og fotoner er excitationer i fotonfeltet. Faktisk er alle elementære partikler excitationer i deres tilsvarende kvantefelt.

QFT forklarer stof-energi-konvertering, fordi du for eksempel kan tilføje energi til elektronfeltet for at excitere det og derved skabe en elektron. Alternativt kan en excitation i elektronfeltet, dvs. en elektron, forsvinde ved at overføre energi til noget andet. Så for eksempel i Large Hadron Collider mødes to kvarker med enorme kinetiske energier, og de kan overføre noget af denne energi til excitationer af forskellige kvantefelter for at frembringe et brus af partikler.

Men dette kan ikke ske på nogen måde, du vil. QFT giver os ligningerne til at beskrive, hvordan partiklernes kinetiske energi kan excitere kvantefelter og derved skabe stof. Det er derfor, for at vende tilbage til dit spørgsmål kan masse ikke bare fortsætte med at blive energi. Kvantefelt excitationer forekommer kun på bestemte måder beskrevet af kvantefeltteori.

Og det tror jeg handler om alt, hvad der kan siges på dette niveau.

For det første er masse energi. Der er slet ingen skelnen. Ikke al "massen" af et atom kommer fra protoner / neutroner / elektroner, for eksempel er der et stykke, der kommer fra potentiel energi - dette stykke dominerer faktisk over massen af ​​bestanddelene.

Imidlertid , kan vi omformulere dit spørgsmål til at være "Hvad forhindrer nukleoner i at blive til andre former for energi?"

Spørgsmålet er faktisk omvendt: hvorfor ville massen ønske at ændre sig ? De fleste ændringer i fysik kræver en drivkraft; en potentiel forskel eller noget lignende. Der er intet af det a priori her.

Derudover er der for disse overgange fra masse til energi normalt høje energitransitionstilstande, som i kemiske reaktioner:

For at nå det endelige produkt skal man levere nok energi til at nå og overvinde overgangstilstanden. Et eksempel på dette er nuklear fusion: For at nå den endelige tilstand skal man først få kernerne tæt nok, hvilket involverer et betydeligt input af energi.

Nukleoner i sig selv har meget lange halveringstider, så mens de kan henfalde til andre partikler og energi, dette ses ikke. De fleste andre partikler har imidlertid korte halveringstider, og intet forhindrer dem i hurtigt at henfalde til "energi".

Jeg forstår, at energien og massen kan ændre sig frem og tilbage ifølge Einstein. Det er flydende; det kan gå fra den ene til den anden. Så hvad holder massen fra at bare blive energi? Er der nogen kraft, der holder en subatomær partikel sammen? Hvad holder masse i sin tilstand?

OK, her er eksperimentalistens version:

Den berømte generelle $ E = mc ^ 2 $ energi til masseforbindelse, når analyseres yderligere viser, at der for elementære partikler findes en $ m $, der er konstant, kaldet hvilemasse: massen, når partiklen ikke bevæger sig.

$$ E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4 $$

Vi har observeret og målt denne ækvivalens af massenergi et utal antal gange. Vi har organiseret de elementære partikler i henhold til deres hvilemasse i en meget elegant model, der beskriver data, kaldet standardmodellen.. Alle masser, vi observerer fra kerner til stjerner, er sammensat af disse elementære partikler i hierarkisk rækkefølge, hvilket giver større og større masser, jo større ensemblet er baseret på energiligningerne ovenfor.

Nukleonerne, sammensat af kvarker og gluoner, kernerne, sammensat af nukleoner (protoner og neutroner), atomer, sammensat af nukleoner og elektroner, er alle stabile (nukleoner kan have ustabile isotoper) og danner grundlaget for den makroskopiske stabilitet af masser, vi observerer i den beskrevne makroskopiske verden af klassisk fysik.

Hvad forhindrer atomet i at kollapse i en neutral kugle af masse / energi, hvad giver de indviklede spektroskopiske mønstre af atomspektre? Teorien om kvantisering opstod for at forklare disse data og udviklede sig til kvantemekanik i modsætning til klassisk mekanik. Et grundlæggende resultat af den teoretiske modellering er, at kun kvantiserede energitilstande kan eksistere, og elektronerne kan ikke falde ned til kernen, fordi dette ikke er en tilladt energitilstand.

Kvantisering forklarer det periodiske system af elementer: protoner og neutroner kollapser ikke til en energikugle på grund af de stabile energiniveauer, der tillades af kvantisering.

Derudover er de elementære partikler entydigt karakteriseret ved kvantetal. Mange af disse er eksperimentelt observeret for at blive konserveret i interaktioner. Således eksisterer der ekstra forbudte regler for transformation mellem energi og masse fra bevarelseslove og kvantetal bevarelseslove.

Stabiliteten i samspillet mellem masse og energi, som vi observerer i den makroskopiske verden, er resultatet af en ligevægt mellem bevarelseslove og energimomentbevarelse i de kvantificerede mikroskopiske systemer.

Ingen kraft, kun bevarelsesregler og tilladte stater. Kvarkerne i protonen kan ikke forsvinde / kollapse i hinanden på grund af kvantetalskonservering, de bærer baryon nummer 1/3 eller 2/3 og kan aldrig miste det inden i protonen, det samlede baryon antal skal forblive 1.

Det er ikke, at masse og energi "kan ændre sig frem og tilbage". De er bogstaveligt talt ækvivalente måder at tale om den samme ting (forudsat at partiklen ikke bevæger sig). Hvis noget har masse, end det også som energi og omvendt. Faktisk har partikler ofte deres masse angivet i enheder af energi.

Dit spørgsmål er lidt som at spørge "hvis noget har hastighed, hvad forhindrer det i at blive hastighed?"

Den måde jeg forstår det på er, at al masse kommer fra den kraft, der forbinder kvarkerne, da tomt rum ikke rigtig er tomt, og i tilfælde af en proton er partiklen lavet af tre kvarker to op og en ned bruger de faktisk op energi til at skabe et tomt rum mellem dem, der søger "ligevægt", og da energien, der holder disse partikler, ikke bare går, hvor det oversættes til det, vi kalder masse og ser på sagen på denne måde, forklarer, hvordan masse og energi er bare en ting, som ses fra to perspektiver og tilføjer, at vægten (virkelig lille) af kvarkerne, der er skabt af "interaktionen" mellem Higgs-feltet og dem og kan ses som om kvarkerne var metalliske kugler, og marken er lavet af honning, som ikke får kuglerne til at stoppe, men de går heller ikke i fuld fart .... håber jeg hjalp :)

Det enkle svar er et ord ... entropi! Der er to typer entropi, som vi skal overveje, 1) universal og 2) lokal.

Universal - lige efter Big Bang var der en "over overflod" af energi, derfor var stof og energi " let "udskiftelig. Energi blev stof og stof blev energi. Efterhånden som volumenet af universet ekspanderede, udviklede lokale sektioner sig, hvor den tilgængelige mængde energi ikke var tilstrækkelig til at ændre stof tilbage til energi, så stof begyndte at eksistere og befolke universet, indtil det meste af energien i universet var opbrugt. p>

Lokalt - på grund af tyngdekraften er der med tiden tilstrækkeligt lokalt stof, der smelter sammen og genererer nok energi til igen at konvertere stof til energi (stjerner), men fordi universets volumen fortsætter med at ekspandere, være et tidspunkt, hvor stof ikke vil være i stand til at samle tilstrækkeligt til at være i stand til at gentage denne proces.

Sammenfattende tager det energi at ændre energi til stof, og det tager energi at ændre stof til energi. Hvis den krævede energi ikke tilvejebringes, skifter stof ikke "spontant" til energi.