质能等价是相对论中的一项原理，指出系统的质量对应着一定量的能量。其广为人知的表达式为 (E=mc^2)；更准确地说，系统的静能 (E_0) 等于其不变质量 (m) 乘以真空中光速的平方。阿尔伯特·爱因斯坦于1905年确立了这一关系。它解释了为什么储存能量的变化会伴随质量的变化，并为理解核反应和粒子反应提供了定量基础。(aps.org)
含义与数量尺度
在现代术语中，质量通常指不变质量，即不随观察者运动状态而改变的量。静能是在系统的静止参考系中测得的能量，在这一参考系中，系统的总动量为零。因此，关系式
[ E_0=mc^2 ]
描述的是系统即使没有整体运动也具有的能量。它不是计算动能的公式，也不意味着物质必须以光速运动。(atlas-public.web.cern.ch)
在国际单位制中，(c) 的值精确为每秒 (299{,}792{,}458) 米。因此，一千克质量对应的静能约为 (8.99\times10^{16}) 焦耳。反过来计算，向静止系统加入一焦耳能量，对应的质量增量约为 (1.11\times10^{-17}) 千克。这些数值表示质量与能量之间的等价关系，并不意味着任何物理过程都能释放物体的全部静能。(bipm.org)
较早的论述有时使用“相对论质量”这一概念，将其定义为总能量除以 (c^2)。按照这种约定，质量随速度增加而增大。采用不变质量的约定时，如果物体除了运动速度变快之外没有其他变化，其质量就保持不变，同时将不断增加的总能量与静能区分开来。(einstein-online.info)
能量、动量与运动
对于自由粒子，静能是更一般的能量—动量关系的一部分：
[ E^2=p^2c^2+m^2c^4, ]
其中，(E) 为总能量，(p) 为动量的大小。对于以速度 (v) 运动的有质量粒子，
[ E=\gamma mc^2,\qquad \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}. ]
因此，它的动能为 (K=(\gamma-1)mc^2)。当速度远小于 (c) 时，这一表达式趋近于经典力学中熟悉的公式 (K=\tfrac12mv^2)。(sfu.ca)
光子的不变质量为零，但携带能量和动量，满足 (E=pc)。这并不违背质能等价：光子没有静止参考系，因此不能将其能量解释为有质量物体的静能。对于由多个粒子组成的系统，其不变质量由这些粒子的合计能量和总动量决定，而不是简单地将各粒子的质量相加。(sfu.ca)
复合系统与结合能
复合物体的质量包含其内部运动和相互作用的贡献。增加其内能，例如在保持整体动量为零的情况下对其加热，会使其静质量增加。反之，束缚系统的质量可以小于各组成部分分离时的质量之和，因为将它们分离需要提供能量。(einstein-online.info)
[ B=\left(\sum_i m_i-M\right)c^2, ]
其中，(M) 为原子核的质量，(m_i) 为组成该原子核的各个核子在分离状态下的质量。例如，一个氦核的质量小于两个自由质子和两个自由中子的质量之和。化学键也会产生类似的质量差，但其对应的能量远小于核结合能。(einstein-online.info)
核反应与粒子转化
在释放能量的核反应中，产物的静质量之和小于反应物的静质量之和。两者的差值表现为动能、辐射或其他输出能量：
[ Q=(M_{\mathrm{initial}}-M_{\mathrm{final}})c^2. ]
某些适合的重原子核发生核裂变，或某些适合的轻原子核发生核聚变，都可以通过这种方式释放能量。聚变为太阳和其他恒星提供能量；受控裂变则在核能发电反应堆中提供热量。(energy.gov)
在粒子物理学中，电子—正电子湮灭提供了另一个例子。初始动能可以忽略的一个电子和一个正电子，可以湮灭为两个沿相反方向运动的光子，每个光子携带约511千电子伏特的能量。它们的静能转变成了电磁辐射。与之相反的一类过程称为对产生，它利用可用能量产生粒子，同时必须满足能量守恒和动量守恒。(hst-archive.web.cern.ch)
这类转化并不会使能量消失，而是改变能量在静能、运动和辐射之间的分配。通常所说的质量“转化为能量”，是指粒子静质量之和减少，而不是能量守恒失效。(einstein-online.info)
历史发展与实验检验
爱因斯坦于1905年9月发表的论文《物体的惯性是否取决于它所含的能量？》，是在他首次阐述狭义相对论之后发表的。他考察了一个发出辐射的物体，并得出结论：物体的质量必定按所释放能量的比例减少。这一论证将物体所含的能量与惯性联系起来，并提出可以利用放射性物质进行实验检验。(aps.org)
2005年报道的一项高精度直接检验，将独立测得的原子质量差与硅和硫俘获中子时产生的伽马射线能量进行了比较。来自麻省理工学院（MIT）、美国国家标准与技术研究院（NIST）和劳厄—朗之万研究所的研究人员发现，实验结果与质能关系相符，精度约为千万分之四。该实验检验了实测质量变化与相应释放能量之间的定量等价关系。(nist.gov)