原子彈和愛因斯坦有什麼關係?他如何知道原子核裡有著巨大能量?

毫無疑問，阿爾伯特·愛因斯坦是有史以來最傑出的物理學家之一。他的質能方程（E = mc^2）被印在無數T恤和海報上，早已家喻戶曉，你可以不知道方程怎麼來的，但你肯定見過它。

愛因斯坦於1905年在提交給《物理學年鑑》的一篇題為《一個物體的慣量是否取決於它所含的能量？》[1]的論文中提出了這個方程，讓物質的質量和能量相關聯。

這無疑刷新了我們對世界的認識，但是現在提到這個方程，很多人會聯想到原子彈，在廣島和長崎引爆的那兩顆也已經讓我們見識到原子彈的威力。

但是，質量和能量之間的關係，在愛因斯坦之前就已經有人提出，並推算出一個類似的方程。

這張圖片是ps的

湯普森的「質能方程」

早在19世紀，同樣是諾貝爾獎獲得者的英國物理學獎約瑟夫·約翰·湯姆森（J.J.Thomson）也對質量和能量關係感興趣。

湯姆森認為電磁力比牛頓的萬有引力定律更基本，牛頓認為質量產生引力，但湯普森想解釋的是電磁力是如何產生質量的。

1881年，年輕的湯普森證明了移動的電荷會產生磁場，這對它的運動造成了某種阻力，這很可能是電荷的有效質量。

經過一些複雜、繁瑣的推導，湯普森得到電子的電磁質量可以用一個方程來表示，就是這個方程：m = (4/3) E/c^2[2]，你沒有看錯，它的方程和現代經典的質能方程基本一樣，而它比愛因斯坦早了20幾年。

圖為：約瑟夫·約翰·湯姆森

如果說我們現在的質能方程是正確的，那麼湯普森的模型肯定是存在問題的，這讓後來者亨利·龐加萊（Jules Henri Poincaré）有機會優化方程。

首先，湯普森的方程只適用於運動的、帶電荷的物體；另外，湯普森方程是以均勻電荷為前提。

但是，如果一個電子是一個擴展的帶電球，某種力或壓力一定會阻止電子飛離，這個壓力顯然有一些能量。

亨利·龐加萊計算了這些應力的能量，發現這個能量相當於電子總質量的四分之一，所以他得到了一個和愛因斯坦一模一樣的方程m = E/c^2。

據說，亨利·龐加萊得到這個方程還比愛因斯坦早了幾個月，當然，從網上資料來看，有很多說法不一的，但可以肯定的一點是，讓能量和質量關聯起來的不止愛因斯坦一個人。

質能方程和原子彈的關係

如果就只看這個方程表面，它真的非常簡單，一個物體的能量(E)等於它的總質量(m)乘以光速(c)的平方。

但往深處去講，這樣一個匯集人類智慧結晶的方程，讓我們了解了關於自然的奧秘：能量和質量不僅在數學上相關，它們更是衡量同一事物的不同方式。

我們可以從這個方程中看到光明的一面，但也可以看到黑暗的一面。

因為在愛因斯坦帶來的新世界裡，質量成為了衡量一個物體總能量的一種方式，即使它沒有被加熱、移動或輻射或其他任何處理，質量就是能量的一種超濃縮形式。

而且，這些東西可以從一種形式轉換到另一種形式，然後再轉換回來。

核電站在核反應堆中利用了這一點，同時原子彈也利用了這一點。

它們的原理都是核裂變，即中子的亞原子粒子向鈾原子的原子核發射，從而使鈾分裂成更小的原子，並釋放能量。

裂變過程釋放出能量的同時也釋放出更多的中子，這些中子可以繼續撞擊更多的鈾原子，引起一系列鏈式反應。

如果你對這一過程前後的所有粒子進行非常精確的測量，你會發現後者的總質量比前者略小，而丟失的質量已經轉化為能量，這種質量和能量之間的關係可以用質能方程計算。

雖然鈾原子流失的質量很小，釋放的能量卻是巨大的，原因很明顯，因為質能方程中光速的平方基數太大了。

根據質能方程，如果把1kg物質全部轉換成能量，那將是9 x 10^16焦耳，這相當於40多兆噸TNT[3]。

用更通俗的話，如果把它轉變成電能，它將足夠讓1000萬戶家庭至少用上三年。所以，你的體重可能夠讓這些家庭使用幾個世紀。

愛因斯坦和原子彈

1945年，物理學家亨利·德沃爾夫·史密斯(Henry DeWolf Smyth)為美國政府準備了一份關於盟軍在「曼哈頓計劃」(Manhattan project)中製造原子彈的報告，其中就包含智能方程。

圖為：曼哈頓計劃製造的第一顆原子彈

曼哈頓計劃直接受害者自然就是日本了，因為世界上再也沒有哪個國家真正被原子彈轟炸過。

但是，除了在這項計劃中提到這個方程外（可能當時是為了更具說服力），愛因斯坦和原子彈沒有任何關係。

在第二次世界大戰期間，愛因斯坦本人曾鼓勵美國政府資助原子能研究，但由於他是德國人，缺乏安全許可，所以他對曼哈頓計劃的參與受到了限制。

除了讓科學家和軍方領導人意識到核彈在理論上是可行的之外，愛因斯坦的方程式不太可能在核彈設計上有太大用處，只是這種聯繫一直存在而已。

最後

有人認為是愛因斯坦打開了潘多拉魔盒，這個真是天大的誤解，因為質量和能量的關係同樣有人提出，而原子彈的可行性和他也沒啥關係。

毫無疑問，愛因斯坦是極具創新和預見性的科學家，現在收集到的科學證據已經進一步證實了愛因斯坦的理論的正確性。

但是，科學上激進的想法很少來自於一個人，E = mc^2也一樣，就像牛頓所說的這是「踩在巨人的肩膀上」。

參考資料：

[1] Mass–energy equivalence-wikipedia

[2] Brian Koberlein.The History Of Einstein's Most Famous Equation[N].forbes.2017-9-11

[3] Alok Jha.E=mc^2: Einstein's equation that gave birth to the atom bomb[N] .theguardian.2014-11-6