誤會最深的物理學定律
質能方程一直以來都是被誤解的最深的物理學公式。有人認為它是原子彈和氫彈的原理,還有人把這裡表達的質能關係搞錯。
那我們先從把質能方程當成是指製造原子彈和氫彈的原理的說法說起。這個說法到底對不對呢?
實際上,這個說法是不夠準確的。為什麼這麼說呢?
這就要從原子彈和氫彈本身的說起。原子彈的原理實際上是核裂變和鏈式反應。一般來說,製造原子彈所採用的材料是鈾元素。在整個反應是在原子核層面進行的,一個較大的原子核會裂成兩個較小的原子核。同時,如果我們仔細計算一下反應前後的反應物和生成物的質量,就發現,反應物的質量是要大於生成物的質量,也就是說,整個反應過程中,出現了質量虧損。
那這些質量哪去了呢?
實際上,這些能量並沒有丟,如果我們把整個反應放在一個和外界沒有任何物質、能量交換的密閉容器中,並且用一個理想的秤來進行稱量,我們就會發現反應前後,重量是相同的,(這裡補充一句,質量和重量不是一回事,但它們在地球上滿足一定的線性關係。)也就是說,質量前後沒有發生改變,說白了,就是質量守恆了。
那為什麼會這樣的情況呢?
這裡就要提到質能方程E=mc^2,這個方程告訴我們,質量和能量是等價關係,這個理論是發表在1905年的質能等價論文當中,是愛因斯坦當年四篇曠世著作的其中一篇。
而原子彈的原理核裂變實際上是1937年才由幾位核物理學家共同提出來。所以,如果我們只知道質能方程,是不可能製造出原子彈這樣的東西的,只有掌握了原子核的基本情況,才有可能做出原子彈。
那質能方程是如何解決這個問題的呢?
愛因斯坦認為,質量和能量是一個東西,是一個物體的兩個面,質量是能量,能量也是質量,或者說質量裡有能量,能量裡有質量。
因此,原子彈爆炸時,反應前後,發生了質量的損失,實際上這個質量是以能量的形式釋放出來的,這些被釋放的能量如果你收集起來,就會發現它就等於反應前後損失的質量。
質能方程可以解釋為什麼原子彈的威力會那麼大,但它不是原子彈的原理。同樣的,質能方程還能解釋化學反應的能量釋放。如果一個化學反應是放熱反應,那這意味著,反應前後,整個體系的質量發生了虧損,這部分質量的虧損就以熱的形式釋放出來。
只不過,由於我們的儀器精度有限,這個質量的虧損很難能夠測出來,我們可以把質能方程等式兩邊進行移項就會發現,m=E/c^2,m是損失的質量,E是釋放的能量(化學反應中的放熱),c是光速,是3*10^8。
因此,損失的質量=釋放的能量/(9*10^16)。所以只有當釋放的能量十分巨大時,我們才能夠明顯感受到質量的虧損。
通過以上的分析,我們可以進一步的去理解質量守恆定律,能量守恆定律和質能守恆定律。以前很多人會說,質量和能量是轉化關係。因此,質量守恆定律和能量守恆定律是不夠用的,所以質能守恆定律才是普世的。
但實際上,這樣的理解是錯誤的。根據質能等價,我們知道質量和能量是一個東西。因此,質量守恆定律是正確的,能量守恆定律也是正確的,因此,質能守恆定律才是正確的。這完全取決於你用什麼樣的方式去測量這個系統,是測質量,那就是質量守恆,是測能量,那就是能量守恆。
能量從哪來?
之所以很多人會把質能方程理解錯,有一個核心的原理就在於概念混淆不清。說白了就是質量、能量、物質三者傻傻分不清。
如上文所說的,質量和能量其實是一個東西,那問題來了,物質是什麼?
客觀地說,在物理學中,並沒有對物質進行定義。物理學概率的定義有個基本要求,那就是可以用數學語言來刻畫,並且能用實驗來定量分析。所以,我們看質量和能量都是有單位的,你什麼時候聽說過物質的單位?
當然,我們會有物質的量的概念,早期這就是質量的意思,還有如今化學當中,也存在著物質的量的概念,這直接把物質和微觀粒子構建起來了關係。但這些都不能直接描述物質本身。
如今,許多科學家會提出這樣的觀念,物質實際上是極度壓縮的能量,或者說是密度極其高的能量。
你看,所有的物質都是具有質量,根據質能等價,所有的能量也是具有能量的一面的。所以,物質本身就是能量,只是形式和我們平時所說的能量不太一樣罷了。
那既然如此,其實整個宇宙都是能量的,你也可以說都是質量的,或者都是物質的,因為它們本來就是一體的。那能量從哪來的呢?
客觀地說,如今我們並不能很好地解釋這一切。我們只知道,宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。
如今的一切都來自於那次大爆炸,也就是說,能量來自於138億年前的大爆炸。
那如果你要問,大爆炸之前到底是什麼?或者為什麼會有大爆炸。
客觀地說,答案是:不知道。很多人會因此而質疑大爆炸的正確性。客觀地說,大爆炸是目前主流的科學理論,也有非常紮實的證據,比如:哈勃紅移,宇宙微波輻射,氦元素豐度。
即便是我們不知道宇宙大爆炸之前是什麼,我們也沒有辦法否定大爆炸理論。為什麼這麼說呢?
我們來想像一下,你認識張三這個人,或者聽周圍的朋友說起張三這個人,那你是否可以判定張三存在呢?
答案是:可以。我們目前所掌握的證據可以判斷宇宙大爆炸存在過。
如果我們不知道張三的母親和父親是誰,也不知道張三母親如何十月懷胎把張三生下來,那我們能否直接說下判斷張三不存在?
實際上,我們不能。所以,我們即便不知道宇宙大爆炸之前到底是什麼,以及為什麼會有宇宙爆炸。我們也不能去否定宇宙大爆炸存在過。
總結
因此,只要宇宙大爆炸的證據足夠充足,我們就可以判定這理論是成立的。那麼,我們所知道的就是,能量在宇宙大爆炸那一切就存在於這個宇宙當中了。