質能方程為什麼是E=M*C^2?

2020-12-04 鍾銘聊科學

物理意義更重要

關於這個問題,其實也很簡單,如果要簡單粗暴地直接給出結果,就是下面這樣:

通過光速不變原理,相對性原理作為基礎假設,然後求運動物體的質量,並且帶入動能定理進行求解,設定速度為0時,可以得到這個公式。

整個過程稍微需要一點點的微積分就能求出來,隨便翻一本大學物理學教材或者網上搜一下都能找到,可問題是,如果你不是理科生,數學和物理全忘了。估計,看完後也是不知所云。

就好像當初物理學家洛倫茲和數學家龐加萊就曾經無限接近狹義相對論,可結果呢,還是以失敗而告終。

所以,了解物理意義有的時候要比搞懂數學要重要一些,這也是愛因斯坦厲害的地方(當然,我這裡說的是針對非專業人士而言。)所以,我覺得沒有必要大段去闡述狹義相對論的質能等價到底是咋來的,對於普通人而言,主要還是去思考一下,愛因斯坦是如何想到的更有意義

物理學家的夢想

其實物理學家一直以來,從古到今,都有個極其宏偉的夢想,這個夢想就是實現「大一統」,聽起來好像就是一個帝王的夢想。實際上,這裡的「大一統」指的是物理定律大一統,我們每天見到這個紛繁的世界,看起來特別複雜,而科學家在做的事情本質上就是:簡化。說白了,我覺得科學家更適合「看破紅塵」這樣的詞彙,因為他們一直都在試圖尋找物理現象背後的規律。但這只是一流的科學家做的事情,頂級的物理學家實際上更進了一步,他們可是把這些規律進行統一,甚至是約化,所以科學家的終極目標其實是用「一個理論解釋全世界」,這也就是大一統理論。這個夢,牛頓做過,愛因斯坦做過,但直到他們作古,這個夢也沒有做成。所以,這就好像是一項終極挑戰。

縱觀整個科學史的發展,第一梯隊的科學家都做成了一件事情:實現了物理規律的部分統一。他們分別是牛頓統一了「天上」和「地下」的物理規律,讓我們知道天上的物理學定律和地球上的物理學定律是一回事;麥克斯韋統一了「電」和「磁」的物理學規律,讓我們知道電和磁其實是一回事。

還就是愛因斯坦,那他統一了什麼呢?

愛因斯坦其實在狹義相對論當中,他先是統一了「時間」和「空間」,他認為時間和空間並不是分立的物理量,而是共同構成了三維時空。

但是當他把論文發表之後,他猛然發現一個問題,那就是如果還用他的體系去求解質量,最後竟然還能再實現一次統一,那就是「質量」和「能量」的統一,說的就是質量和能量實際上是一回事。並且,這是能夠推導出對應公式的,就是我們非常熟悉的E=mc^2。

質能方程的物理意義

實際上,很多人對質能方程都有誤解,常常把它利用到核物理當中,尤其是原子核。實際上,這是小看了質能方程。質量方程實際上還有一個名字,叫做質能等價。而他其實不止適用於核物理,這個質能等價是具有普適性的意義的,意思就是說,你可以用在核物理,你也可以用在普通的化學反應中,你甚至可以用在宏觀現象當中。

之所以,我們感覺不到質能方程對我們生活的影響,是因為我們生活在宏觀低速的世界裡,這種效應,要到和光速幾乎同一個數量級才能明顯感覺到,尤其是越接近光速,越是明顯。其實也不難理解,這當中有一個"c^2",這就是10^16的數量級,所以,能量的些許變化都要除以這個數量級,反映到的質量變化都在10^-16的水平,也就是小數點15位開外,普通人當然感覺不到。舉個簡單的例子,蘋果從一米高的地方掉下來,所失去的勢能可以換算成質量,這個質量變化僅為原來質量的10^-16。

再舉個例子,氫原子和氧原子結合成水分子的過程中,反應前後靜止質量少了一點,但這一點實際上在200年前的學者拉瓦錫眼裡就是不存在的,因為他根本測不出來。

但反過來我們就能明顯感覺到,氫彈的爆炸,過程中其中只有0.7%的靜止質量虧損,但卻對應了巨大的能量,這其實也是乘以「10^16」這個數量級體現出來的。

所以,實際上很多事情並不是憑直覺,否則很容易得出錯誤的結論。對於質能等價來說,很多人用的詞彙是「質量轉化為能量」,實際上這是曲解的愛因斯坦的理論。我們同樣做個極端的例子,如果兩個正反電子發生湮滅。

一般人常說:兩個正反電子發生湮滅,質量全部轉化為能量。但這明顯是不對的,因為沒有控制變量,反應前後質量到底變不變其實要測一下才知道,那為什麼很多人忘了這事呢?因為,反應後的產物都快速跑掉了,好像啥都沒有留下。那應該是如何的呢?

如果,我們有個超級理想的容器,它是不和外界有任何能量交換的,也就是完全封閉,並且和外界隔絕的,那這個時候在這個容器內發生正反電子湮滅。我們稱一下這個封閉的容器,實際上,反應前後質量都不變的。懂了沒?實際上,這樣的測算,才是真的在測量反應前後反應物和生產物的質量變化。但根據愛因斯坦理論,我們就會發現,質量是不變的,所以,質量其實是守恆的,而質量和能量是一回事,所以能量也是守恆的。因為質量和能量都守恆,所以質能才守恆。而事實上,這個理論也是被很多實驗所驗證的。

因此,根本不存在什麼「質量轉化為能量」,存在的是質量裡有能量,能量裡有質量,他們是一個東西的兩個方面,取決於你如何對它進行測量而已。

所以,質能方程其實講的是這麼一件事情:

質量裡有能量,能量裡有質量,它們是一回事。也就是質能等價。

還是開頭那句話,推導其實很好找,甚至很多人自己也能推。但明白其中的物理意義卻很難。

相關焦點

  • 質能方程E=mc^2的推導過程是怎樣的?
    質能方程是從愛因斯坦的狹義相對論中所推導出來的,為了得到這個方程,先要了解質增效應。
  • 質能方程E=mc^2是如何被愛因斯坦發現的?
    光速不變原理在1905年,愛因斯坦發表了數篇具有開創性的論文,其中就包括光電效應,布朗運動,狹義相對論以及狹義相對論的補充篇:質能等價。(質能方程E=mc^2其實就是在質能等價這篇論文當中的)也就是說,質能等價理論其實是狹義相對論當中的一部分。
  • E=mc,質能方程中為什麼會出現光速平方,而不是立方呢?
    如果你使用幾何單位制,那麼質量能量方程就直接變成了 E= m,光速 c就不會出現任何影子,因為在幾何單位制中,光速 c的值是1,利用這個單位制,質量能量方程的意義就更清晰了。也許有一些朋友又要反駁了,你把單位制轉換成幾何單位制,從國際單位制轉換成幾何單位制,雖然樣子變了,但少了的光速卻變成了另一種形式,現在我想知道,為什麼質能方程會出現光速,為什麼在國際單位制中出現光速平方?
  • 質能方程為何如此簡潔,沒有額外的係數?
    質能方程E=mc^2,本質上光速的平方就是係數,假如我們重新定義單位長度和單位時間,使得光速值為「1」,那麼質量和能量在數值上將是等價的,這正是質量和能量統一的體現。很多物理學的基本定律當中,存在一些需要測量的係數,比如萬有引力定律的G,庫侖定律的k,麥克斯韋方程組中的基本電荷e,真空介電常數ε0,以及真空磁導率μ0等等,但是相對論中的質能方程非常簡潔,形式堪稱完美。
  • 愛因斯坦的質能方程E=mc^2,能量怎麼會與光速產生關係?
    這個方程是所有物理公式中包含信息量最大、能量最大、最簡單的數學公式,甚至可以說它已經簡單到了讓人難以置信的程度。簡單的說,質能方程之所以是我們現在看到的樣子,其實是因為動量和能量守恆的結果。下面我們就具體分析下。我們先說E=mc^2中的m
  • 質能方程E=mc^2中,光速c的平方有什麼物理意義?
    質能方程E=mc平方是狹義相對論的一個推論,它的數學形式是推導出來的,告訴我們物體的總能量與其質量成正比,至於為什麼係數是光速,而且還是光速的平方,歸根結底還是狹義相對論的兩條基本原理,除此之外並無它意。
  • 愛因斯坦質能方程 解釋為什麼光速無法超越
    關於為什麼不能超過光速,這可能對於有些人來說是個新鮮事,但是如果你熟悉愛因斯坦的相對論以及最著名的公式E = mc^2,你就會理解這個方程所施加的限制。  但究竟是為什麼光速無法超越呢?  科幻小說中的翹曲速度、超空間或其他能使飛船超光速的方式可實現長距離跨越,不幸的是,物理學表明科幻小說不能成為科學事實,因為我們永遠也無法超過光速
  • 【主編講堂】現代自然科學重要概念連載二——質能轉換方程E=mc2
    質能轉換方程是狹義相對論的重要推論,由阿爾伯特·愛因斯坦提出。該方程是描述質量與能量之間的當量關係的方程,其公式為E=mc²,其中,E表示能量,m表示質量,c表示真空中的光速(常量,c=299 792.458 km/s)。
  • 質能方程是如何推導出來的?
    質能方程的推導需要用到狹義相對論中的質速關係(從洛倫茲變換中得到):質速關係表明,物體的慣性質量並非一個不變的常數,而是會隨著速度v的加快而變大。當速度v趨於光速c時,原本靜質量只有m0的物體,運動質量m會增大到無窮。
  • 愛因斯坦的質能方程E=mc^2中,能量怎會同光速產生關係?
    在物理學的發展中有很多的科學理念已經深入人心,例如:光的本質、太陽系的模型、起源以及宇宙的起源方式,不僅如此我們還將一些理論以非常簡潔的數學形式表達了出來,如:E=mc^2,這個方程是所有物理公式中包含信息量最大、能量最大、最簡單的數學公式,甚至可以說它已經簡單到了讓人難以置信的程度。
  • 質能方程E=mc^2中,光速平方有什麼物理意義?
    簡單講,質能方程E=mc^2隻是一個推導出來的公式,其中光速C的平方並沒有什麼特別的物理意義,推導的結果就是光速C的平方。假設推導出來的公式是光速C的三次方,可能你還會問為何非得是光速C的三次方。沒有為什麼,也沒有特殊的物理含義,就是推導出來的公式而已。怎麼推導出來的呢?根據愛因斯坦狹義相對論中的質量與速度的關係推導出來的,那麼質量與速度的關係公式怎麼得到的呢?
  • 一口氣搞懂質能方程
    至於你要問為什麼?他會說,根據愛因斯坦的質能方程:那這個說法對還是不對呢?我們直接給出解釋:並不對。如果非要評選一個人類史上最著名的公式,這個質能方程很有可能是第一名,實在太好記了。但如果要評選一個人類史上誤會最深的公式,那質能方程應該可以穩居第一名。
  • 沒有愛因斯坦的質能方程,就造不出原子彈嗎?
    C是真空中光速(m/s),c=299792458m/s根據狹義相對論,質量隨速度增加而增加,我們知道動能也隨速度增加而增加,那麼質量不也正是隨動能增加而增加麼?為了滿足狹義相對論的兩條原理(相對性原理和光速不變原理),可以推算出所增加的質量乘以光速的平方正好等於物體的動能,即ΔE=Δm*c^2.進而把結論推廣為E=m*c^2.通過質能方程可以計算正物質與反物質的湮滅能量,比如一個正電子質量m,反電子質量必然也為m,正反電子相遇後湮滅,產生的能量為2m*c^2,即2m的質量全部轉化為了能量。
  • 網友問:愛因斯坦的質能方程,是怎麼推導出來的?
    利用洛倫茲變換,很容易推導出質能方程。質能方程是愛因斯坦,在1905年發表的論文《物體慣性時候決定其內能?》中提出來的,描述了物質的質量和能量之間的關係。利用相對論質增關係,然後結合動量定理和動能定理,就可以推導出質能方程。相對論動能E=mc^2-m0c^2=Δmc^2,其中Δm=m-m0。描述:一個物體包含的總能量,可以分為相對論質增效應的能量,和一個固有能量m0c^2。
  • (原創)質能方程是可逆的!
    2、磁場裡高速流動的物質轉化為金屬氫,金屬氫聚合形成新元素的同時伴生電磁波(能量);能量不是物質,但是電磁波依靠金屬氫「磁力矩」的共振來傳播在熱核反應中,根據愛因斯坦的質能方程E=mc²推出金屬態氫離子聚合形成的新元素的質量為m=
  • 愛因斯坦的質能方程,他是怎麼發現這個公式的?
    (質能方程E=mc^2其實就是在質能等價這篇論文當中的) 也就是說,質能等價理論其實是狹義相對論當中的一部分他認為應該將兩者並稱為時空;其次,他統一了「能量」和「質量」,這也就是質能等價的內容,他認為能量和質量其實是一回事。那質能方程其實是利用了狹義相對論中的理論推導而來的。
  • 根據質能方程,是否一支粉筆,就有能供人們喝100年開水的能量?
    這種物體的速度和它的運動質量之間的關係,可以用如下的表達式進行換算:m=m0/√(1- v^2/c^2)。在此基礎上,我們將物體的動量,用上述運動質量關係式進行表達:p=m0*v/(√(1-v^2/c^2))。
  • 方程E = mc 中,m 的能量從何而來?
    c 是光速的平方:在這種情況下,其代表一個轉換因子,告訴我們如何將質量(以千克為單位)轉換為能量(以焦耳為單位)。我們可以從核反應中獲取大量能量的直接原因就在於方程 E =mc。(NNATIONAL NUCLEAR SECURITY ADMINISTRATION / NEVADA SITE OFFICE)即使僅將一千克的質量轉換為能量,由於 c [即(299,792,458 m / s)]的度量,我們也將獲得相當於 2150 萬噸TNT(烈性炸藥)的能量。
  • 方程 E = mc² 中,m 的能量從何而來?
    我的問題是,在方程 E = mc² 中,「m」 中的能量來自哪裡?讓我們從最小的尺度開始探索它的來源。混合物和基本粒子的大小,在已知粒子中可能存在更小的粒子。m 代表質量:表示粒子的總靜止質量,其中「靜止質量」是指靜止且未通過任何已知力(引力,核力或電磁力)與任何其他粒子作用的粒子的質量。c² 是光速的平方:在這種情況下,其代表一個轉換因子,告訴我們如何將質量(以千克為單位)轉換為能量(以焦耳為單位)。
  • 質能方程E=mc^2,為何是光速的平方而不是立方呢?
    為何質能方程中包含質量、光速?並且光速還是以平方的形式出現?通過這兩個原理能建立洛倫茲變換,而有了洛倫茲變換則能推導出諸如鍾慢尺縮、質量增加、質能方程等結論。