我們該如何理解愛因斯坦質能方程

2020-12-04 國學大觀

「追求科學事業是需要勇敢的」,這是伽利略的一句話。我所做的思考談不上科學事業,更談不上貢獻。

我一直清晰的給自己定義是「葉公好龍」。但我所做的思考是有意義的,不去思考才是無意義的。

追求任何東西都是需要勇敢的,你一定要有這個認識。生命很短,害怕是沒有用的。我們冒著生命危險來到世界上,就意味著冒著生命危險離開世界。

所以別人眼中的我,是別人的。我自己眼中的我,才是真正的我。我們來不及做很多事,更來不及去後悔。但我乘著來得及的時候,寫今天這篇文章。該文是關於如何理解愛氏質能方程的內容。寫這一篇文章,當然是因為它和前面的很多章節是有密切聯繫的。

我希望每一個看此作品的人,都要保持懷疑態度。是因為一個人的學識有限,能力有限,想像有限。我的能力更不值得一提。即使你們面對愛因斯坦,也保持懷疑態度,是好的。最好能發現疑點,以發問的形式告訴大家。

一生很短,我們億萬人的時間加起來,也不是很長。但我們不是和時間賽跑,我們每個人都是和自己賽跑,和光速賽跑。上面的兩個圖,就是愛氏一生研究的成果。我們後背的驕傲,人類的智慧象徵!

相對比廣義相對論公式,質能方程E=MC是很多人都熟悉的,一生至少見過一次吧。但此公式應該如何理解,包含什麼樣的深意,是我要告訴大家的。

質能方程表述如下:E=MC。其中,E是能量,單位是焦耳(J)。M是質量,單位是千克(Kg)。C是真空中光速(m/s),c=299792458m/s

首先大家要知道的是——愛因斯坦這個公式是從狹義相對論中推得的。也就是必須基於狹義相對論的兩個前提:光速不變和狹義相對性原理。該公式表明物體相對於一個參照系靜止時仍然有能量,這是違反牛頓系統的,因為在牛頓系統中,靜止的物體是沒有能量的。這就是為什麼物體的質量被稱為靜止質量。

公式中的E可以看成是物體總能量,它與物體總質量(該質量包括靜止質量和運動所帶來的質量)成正比,只有當物體靜止時,它才與物體的(靜止)質量(牛頓系統中的'質量')成正比。這也表明物體的總質量和靜止質量不同。

獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》電子版在靈遁者淘寶有。

反過來講,一束光子在真空中傳播,其靜止質量是0,但由於它們有運動能量,因此它們也有質量。

愛氏質能方程,一般有以下三種表達。

表達形式1:E0=M0C2 。式中的M0為物體的靜止質量,E0為物體的靜止能量。中學物理教材中所講的質能方程含義與此表達式相同,通常簡寫為E=MC。

表達形式2:Ev=MvC。Mv為隨運動速度增大而增大了的質量。Ev為物體運動時的能量,即物體的靜止能量和動能之和。

表達形式3:ΔE=ΔMvC。式中的Δm通常為物體靜止質量的變化,即質量虧損。ΔE為物體靜止能量的變化。實際上這種表達形式是表達形式1的微分形式。

注意有些術語使用中,質量單指靜止質量,因為總質量和能量是等價的概念。若m指代靜止質量,則公式應改寫為E=MC。

而,因此, ym也就是總質量的表達式,其中 y 為洛倫茲因子。

我們都知道這個等式源於愛因斯坦對於物體慣性和它自身能量關係的研究。研究的著名結論就是物體質量實際上就是它自身能量的量度。為了便於理解此關係的重要性,可以比較一下電磁力和引力。

電磁學理論認為,能量包含於與力相關而與電荷無關的場(電場和磁場)中。在萬有引力理論中,能量包含於物質本身。因此物質質量能夠使時空扭曲。

這個方程對於原子彈的發展是關鍵性的。

物體的靜止能量是它的總內能,包括分子運動的動能、分子間相互作用的

勢能、使原子與原子結合在一起的化學能、原子內使原子核和電子結合在一起的電磁能,以及原子核內質子、中子的結合能…….物體靜止能量的揭示是相對論最重要的推論之一,它指出,靜止粒子內部仍然存在著運動。一定質量的粒子具有一定的內部運動能量,反過來,帶有一定內部運動能量的粒子就表現出有一定的慣性質量。

在基本粒子轉化過程中,有可能把粒子內部蘊藏著的全部靜止能量釋放出來,變為可以利用的動能。例如,當π介子衰變為兩個光子時,由於光子的靜止質量為零而沒有靜止能量,所以,π介子內部蘊藏著的是全部靜止能量。

守恆定律

:在一個孤立系統內,所有粒子的相對論動能與靜能之和在相互作用過程中保持不變,稱為質能守恆定律。

在相對論裡,質能公式描述了質量與能量存在固定關係。在經典力學中,質量和能量之間是相互獨立、沒有關係的,但在相對論力學中,能量和質量只不過是物體力學性質的兩個不同方面而已。這樣,在相對論中質量這一概念的外延就被大大地擴展了。

愛因斯坦指出:「如果有一物體以輻射形式放出能量ΔE,那麼它的質量就要減少

至於物體所失去的能量是否恰好變成輻射能,在這裡顯然是無關緊要的,於是我們被引到了這樣一個更加普遍的結論上來。物體的質量是它所含能量的量度。他還指出這個結果有著特殊的理論重要性,因為在這個結果中,慣性質量和能量以同一種東西的姿態出現……我們無論如何也不可能明確地區分體系的『真實』質量和『表現』質量。把任何慣性質量理解為能量的一種儲藏,看來要自然得多。

這樣,原來在經典力學中彼此獨立的質量守恆和能量守恆定律結合起來,成了統一的「質能守恆定律」,它充分反映了物質和運動的統一性。質能方程說明,質量和能量是不可分割而聯繫著的。一方面,任何物質系統既可用質量m來標誌它的數量,也可用能量E來標誌它的數量;另一方面,一個系統的能量減少時,其質量也相應減少,另一個系統接受而增加了能量時,其質量也相應地增加。

愛氏的貢獻不僅僅是質能方程所揭示的能量與質量的關係。更是延伸了人們對於慣性的認識。這我在此書的開頭,論證引力是慣性源泉的時候,就提到了。即能量具有慣性是愛氏的貢獻。

而我關於慣性的思考,在第四十九章,列出了以下幾點:

1、任何過程要考慮時間,考慮時間就要涉及速度。速度的上限是光速。所以慣性作用的速度也是光速。超距作用不可想像,沒有理論基礎,也沒有實質想像的實驗,包括量子糾纏也不算。

2、任何具有質量的物質具有慣性,任何具有能量的東西也具有慣性。能量本身就是具有慣性的。就說明這是一種普遍的性質。就要考慮到物質或能量的整體。而這樣東西就是時空,就是引力場。慣性與距離無關,因為這是一種性質。我們不能說A物質對B物質的慣性是多少。沒有這樣的說法。我們只是說A物質的慣性怎樣,B物質的慣性咋樣?說慣性作用的速度是光速,是說物體抵抗運動狀態改變的速度是光速。但有一個不爭的事實是——任何時候,物體都具有慣性。也就是從某種意義上來說,任何物體在任何時刻,都處於在抵抗運動狀態改變態中,且這種反應速度是光速。就好比一個靜止的杯子,它在以「光速」保持靜止的這樣的狀態。這種思維帶來一種「變態」情況,就是任何靜止和運動的物體,都處於隱形「光速」中。所以愛氏的光速不變理論,是真理!就是這一點,才是慣性讓人難以想像的地方!但一定要明白,這種光速不變的性質是由於時空賦予的。我曾經就此寫過文章。在這裡就不展開討論了。

再重複一遍,任何物體在任何時刻,都以光速來抵抗運動狀態的改變!即都以「光速」來保持原來運動狀態的性質,就是慣性。這才是慣性的真面目!但慣性的本質是引力場,是時空。即我常說的引力是慣性的源泉。大家此刻看看愛氏質能方程E=MC。這裡本身就包含有光速,這不是偶然。再看看E0=M0C2。靜止質量的物體也是有能量的。而且式中的的光速,是真實的!這也是我為何要一再告訴大家,重新去認識慣性,重新去理解慣性。

我們的認識還沒有完。我們很早就知道了慣性質量和引力質量相等。但很多人認為是偶然。我相信看了此書,你就不會這樣認為了。引力還是慣性的源泉,是引力質量和慣性質量相等的根本原因。

而引力的本質是時空,不是時空彎曲。那麼牛頓引力和愛氏引力理論的區別是什麼?兩者沒有對錯,但愛氏理論更徹底,適用範圍更廣。但牛頓引力是更方便我們理解的,只要上過高中,就懂了。而愛氏理論,卻不是這樣的。

我可以用一個類比,來給大家展示兩者的區別。兩者就好比點和體的區別。牛頓引力是「點」,而愛氏引力是「整體」。

3、根據上面的思考,我們可以得出。慣性大小其實和距離沒有關係。因為這是一種性質,處於引力場中的物體,都具有這種性質。你對於地球的慣性是多大,那麼對於其他星球而言也是多大。

4、引力質量和慣性質量相等的根本原因,就在於他們同屬一個體系的東西。那就是「引力理論體系」。都與引力場有關。都以質量為量化衡量的標準。慣性強調「自身」狀態是咋樣的,而引力強調「與它物」的作用狀態是咋樣的。與其他物體的作用狀態,就必須考慮距離,和引力常數。這是引力和慣性的區別。

5、所以狹義相對性原理和廣義相對性原理是沒有錯的,也是基於此的。引力場中,物體慣性的存在與參考系無關!因為慣性的「光速」作用是恆定的。所以一切坐標系(包括非慣性系)都是平權的,即客觀的真實的物理規律,應該在任意坐標系下均有效。我不知道愛氏本人,是否也思考到關於慣性的這點認識。但他一定是通過引力質量和慣性質量相等去認識狹義相對性原理和廣義相對性原理的。

6、而關於質量的產生,必須回歸量子力學的相關理論。也就是說用希格斯場,希格斯機制來實現。所以整個理論體系,一定是一個圓圈。大統一理論的構想,是沒有錯的。數學家精於計算,但不一定也這樣考慮問題。所以我必須說出自己的思考,來告訴人們,簡單的物理現象中【慣性現象】,蘊含著直達宇宙真理的秘密。

我們不妨來簡單的從公式本身去認識一下。第一個問題E=MC和E=hf本質相同嗎?質能方程中的E和普朗克公式中的E是沒有本質區別的,是相同。

大家仔細看看這幾個公式。質能方程公式E=MC,M是質量,C是光速。普朗克公式E=nhf,n是光子個數,h是普朗克常數,f是頻率。光速公式c=fλ,f是頻率,λ是波長。而德布羅意公式λ=h/p,P=nhc/(λt)。德布羅意波長公式適用於任何物質。不論是宏觀還是微觀粒子。所以仔細看看這幾個公式,我們不難推理,宏觀到微觀理論是有聯繫,是可以串起來的。也就說宏觀物理學和量子力學是融洽的。

引力不易於融入宇宙大統一理論的本質原因,有這麼幾個。

1、對於廣義相對論的理解的偏頗。即時空彎曲不產生引力,時空才產生引力。這樣時空背景的彎曲問題就會得到解決。

2、廣義相對論是一個整體引力理論。即時空引力理論。而我們對於時空的認識還有限制。

3、一定要對於慣性有深刻的認識,才能使得物理大廈的根基牢固。

4、現在的很多理論,就是因為物理根基不牢固,而為了去填補一下假象,出現很多替代理論。其實這些替代理論,都不能代替相對論。包括弦理論,M理論之類的理論。

5、就愛氏相對論公式語言,我們都知道求解很難。還有關於希格斯場的相關質量理論,也是生澀難懂的。熟悉和貫穿此兩者理論,對於我們的統一理論至關重要。我數學不好,但你數學好。總有一天,會有一個你,會寫出這樣數學聯繫。為我們打開一扇通往宇宙的門。

一家之言,不成系統,與諸位分享,只願更多的人了解和知道很多先賢的研究成果。

我在寫完此文的時候,總覺得這裡面很多東西應該好好展開來說。比如德布羅意波,引力常數,普朗克常數,光速等。所以這些概念的聯繫,在我們的大腦之外,但能為我們大腦察覺。這是歷史所證明的。不要不相信巧合,不要不相信相似,物理是這樣的,人生也是這樣的。

此刻我也在聽一首歌,名字叫《最後的莫西幹戰士》。此歌沒有歌詞,嗚嗚咽咽,悽悽切切,時而緩,時而急,聽來有數不盡的悲壯。

好像可以填充很多我空白的地方,一個人畢竟是一個人。但人類的悲壯,人類的輝煌,人類的未來,就是由這一個個人組成的。

摘自獨立學者靈遁者物理科普書籍《變化》

相關焦點

  • 如何理解愛因斯坦的質能方程,質量是如何消失的
    文/科學新視界,百家號首發,轉載請註明來源於百家號在愛因斯坦誇時代的提出質能方程以前,人們總是講質量和能量做了絕對的區分,那時候科學家認為,質量和能量是不一樣的,質量有實體,而能量像是空中樓閣,只能間接的測量,並沒有精準的定義
  • 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。
  • 沒有愛因斯坦的質能方程就沒有原子彈的出現?事實並非如此
    提到「愛因斯坦」、「質能方程E=mc^2」以及「原子彈」這三個詞,很多人就會聯想到一句話,愛因斯坦的質能方程為原子彈的提出和製造提供了理論基礎。也就是說,如果當年愛因斯坦沒有提出狹義相對論,沒有發現質能方程,那麼人類就不能製造出原子彈。
  • 愛因斯坦的質能方程,他是怎麼發現這個公式的?
    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。
  • 我們能不能批判愛因斯坦的質能方程E=mc²?
    我們知道動能是一種能量,在牛頓力學中,動能正比於質量以及速度的平方。那麼,在愛因斯坦的質能方程中,能量肯定也正比於正比於質量以及速度的平方,所以這裡的速度無論是不是光速,至少速度一定是平方項,而不能是你說的一次方或者三次方,這個是最簡單也是最重要的物理分析——量綱分析。
  • 我們該如何理解愛因斯坦場方程
    所謂的獨特角度可以是一種邏輯規律,即我們在遵循某種邏輯規律的前提下,一個複雜張量就可以簡化為一個簡單些的張量。所以黎曼張量縮並為裡奇張量,可以理解為存在某種邏輯規律,在這種邏輯規律下,黎曼空間曲率的數學描述可以得到簡化。
  • 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
  • 愛因斯坦的質能方程是錯的
    光速不變原理實為光速不變現象,光速只是看起來不變,光速同樣遵循狹義相對性原理;狹義相對論是基於光速不變的內涵設定進行循環論證的結論,只是適用於光尺準下的應用型理論,超光速現象普遍存在;狹義相對論把鏡像宇宙看作本相宇宙,錯誤地否定了絕對性的宇宙時間;人類定義的是計量時間,宇宙定義了自身的時間;光子的靜止質量不為零,質能方程是錯的
  • 沒有愛因斯坦的質能方程,就造不出原子彈嗎?
    這幾天我們談論的很多經典公式、論戰、實驗都離不開愛因斯坦,愛因斯坦的確是科學史上最最偉大的科學家之一。而提到愛因斯坦,則不能忽略他的質能公式,這個被譽為世界十大經典公式之一的質能公式,很多人說它的副產品就是原子彈。那麼沒有質能公式,就造不出原子彈嗎?
  • 愛因斯坦質能方程的三大意義,第三個創造了整個宇宙!
    無論開始有什麼,中間是如何進行的,結果又產生了什麼,開始的質量總和最終的質量總和都是相等的。但是根據狹義相對論,質量根本不是最終的守恆量,因為不同的觀察者對於系統的能量有不同的看法。下面,就來看一下愛因斯坦從狹義相對論中推導出的最著名方程——質能方程:E=mc^2這個方程由三部分組成,(1)E是能量,位於方程的一邊,表示系統的總能量;(2)m是質量,與能量存在聯繫;(3)c^2是光速的平方,使能量和質量等價的換算因子。
  • 原子彈威力那麼大,愛因斯坦後悔發現E=mc質能方程了嗎?
    氫彈的威力有目共睹,比如全世界威力最大的氫彈是當量5800萬噸,它的總質量達到了27噸,不過真正轉換為能量的質量不過2.9千克而已,當然氫彈爆炸的能量完美遵循了質能方程,愛因斯坦將這個不應該被人類掌握的能量從魔鬼的手中釋放了出來,他會有一絲後悔的想法嗎?質能方程是怎麼來的?
  • 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。
  • 核反應背後的質能方程,其實很多人理解錯了,真正的解讀在這裡
    很多人都知道,質能方程是愛因斯坦提出的,用公式表示為E=mc^2。其實很多人對它的理解是存在誤區的,很多人認為:在核反應中發生質量虧損,少掉的質量轉變為能量釋放出來,就以為核反應質量不守恆,其實這種觀點不正確,那真正的質能方程的含義是什麼?這得從方程的起源說起。
  • 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。
  • 愛因斯坦的質能方程E=mc^2,能量怎麼會與光速產生關係?
    不過這個公式就是這樣,簡單的幾個字符為我們道明了宇宙中質量和能量之間的關係,它們其實是同一事物的不同表現形式,不過有很多朋友不明白的是,為何質量物體中所包含多少能量會和光速這個宇宙常量有關係,而且為啥就是光速的平方呢?而不是立方?或其他?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。
  • 質能方程為什麼是E=M*C^2?
    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。
  • 按照質能方程E=mc^2,能量能轉化為物質麼?
    質能方程的由來要了解這個問題,我們就要先把質能方程搞明白。或者說,我們應該搞明白的是物質、質量和能量這三者的關係。這要從1905年說起了,這一年是愛因斯坦人生當中最高光的時刻了。在這一年,愛因斯坦接連發表了多篇開創性論文。
  • 一口氣搞懂質能方程
    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。
  • 愛因斯坦的引力場方程如何理解?
    愛因斯坦場方程就是引力場方程,是用來計算時空曲率與能量動量的對應關係。愛因斯坦的引力場方程Rμv是代表曲率的裡奇張量,它是由四階的黎曼張量壓縮得到的一個二階張量。它本身只是一個矢量,相當於一個一階張量,這是沒法與曲率張量形成對應關係的,前面說了,愛因斯坦通過插值把它弄成二階張量了。在一開始,廣義相對論除了有引力場方程,其實還有一個運動方程。所以有一句總結相對論的話:物質告訴時空怎樣彎曲,時空告訴物質怎樣運動。
  • 根據愛因斯坦質能方程E=MC2的思考
    但是質量守恆說成質能守恆更好些。根據愛因斯坦狹義相對論,物體的實際質量=靜質量+動能對應的質量。核反應的產物的動質量與反應物相同,所以叫質量守恆,但是產物是高速運動的粒子,使得所謂靜質量較小,所以測得反應前後靜質量出現了虧損。「虧損」是對於靜質量而言的,「守恆」是對於總質量,這個總質量是包括動質量而言的。所以,質量虧損現象沒有違背質量守恆定律。