E=MC^2參與著我們日常生活中的質能轉換

2020-12-03 李論科學

「根據狹義相對論,質量和能量都是同一事物的不同表現形式,對於普通人來說,這是一個有點陌生的概念。」——愛因斯坦

確實是這樣,不過我們聽得最多的就是核反應和粒子加速器,但質能之間的轉化在我們生活中隨處可見。

粒子加速器如何將能量轉化為質量

愛因斯坦最著名的方程:E = mc^2,列出了在靜止狀態下,物質中儲存了多少能量,並告訴我們,首先需要多少能量來才能創造物質。

也就是說我們可以直接從能量中產生物質;事實上,在粒子加速器中我們一直再做這樣的事情。還有在恆星中,在黑洞和中子星周圍,在宇宙大災難(超新星爆發)中,我們不斷地從能量中創造出新的物質。很簡單:取兩個有足夠能量(動能)的質子,把它們撞在一起,我們就會得到三個質子和一個反質子。

這也是我們在地球上製造絕大多數反物質的方法,如果我們把四個創造出來的粒子動能加起來,就會發現它們的動能比原先兩個質子的動能要小。(一個質子和一個反質子的質量,乘以光速的平方。)

這就是E = mc^2告訴我們:質量只是能量的一種形式,只要你把質量轉換成另一種形式的能量,質量很容易被創造或毀滅。但愛因斯坦最著名的方程式還有一個更常見甚至更平凡的應用:所有的核反應和化學反應。

核反應以及化學反應

你可能聽說過核反應:我們要麼把質量小的原子核合併成一個或多個質量大的原子核(即聚變),要麼把質量大的原子核分裂成質量小的原子核(即裂變)。在這兩種情況下,即使質量的變化相對很小也能釋放出巨大的能量。歷史上最強大的核爆炸(沙皇炸彈)釋放了近60兆噸的能量,只是將不到50克(2盎司)的質量轉化為能量。以上說的都是核能,下面說說於我們生活相關的化學能。

E = mc^2其實也控制著我們生活中能量質量的轉化。構成我們日常生活中所有生物和無機過程基礎的微不足道的化學反應都是基於電子是如何與原子和分子結合的。電子之間有不同的能級和構型;化學鍵的形成、斷裂和重新形成,能量被吸收或釋放,以平衡每個單獨的反應。

當植物吸收光子進行光合作用時,獲得的質量與吸收光子的能量成正比,遵循E = mc^2定律。當一個人為了維持體溫而燃燒他或她的化學燃料時,失去的質量與那些化學鍵斷裂所釋放的能量成正比。事實上,如果我在天平的一端稱一個自由電子和一個自由質子,在另一端稱一個中性的、基態的氫原子,我們就會發現自由電子和質子的重量增加了13.6 eV/c2,正好相當於電離一個中性氫原子所需的能量!

因此你吃進去的飯,經過化學反應吸收的能量,就會通過E = mc^2轉化為相應的質量。所以吃飯長肉就是能量轉化為質量的完美例子!

生活中每時每刻都在進行著質能轉化

當我們將氫氣和氧氣混合生成水時,就會釋放出能量,但是反應生成水的質量比之前的氫和氧的質量要低一些。質量低了多少?釋放的確切能量,除以光速的平方。(因為如果E = mc^2,那麼E / c^2 = m也是成立的。)所以每次你做一件釋放能量的事情,你的質量損失與釋放的能量成正比。

同樣,每次你吸收能量的時候,獲得的質量與吸收的能量成正比。就跟我們吃飯一樣,我們從飯的化學能中獲得了多少能量,這些能量就會以相應的比例轉化為質量。這意味著質量是能量的一種形式,這兩個量,不管你對一個系統做什麼,都是成比例的。滿足一個方程E∝m。

但這個比例符號(∝)成為一個等號,我們就需要得到正確的轉換因子。轉換因子告訴我們能量是如何定量地與質量相關的。

轉換因子是光速的平方。搞清楚這一切只是愛因斯坦對我們理解宇宙的偉大貢獻之一。

可能你從來沒有想過,E = mc^2(或E / c^2 = m)實際上影響了我們世界中每時每刻發生的一切事情;每當你眨一下眼皮,活動一下肌肉,吸氣或呼氣,思考一個問題或心跳,你都是在把質量轉化成能量,而每一次你消化一頓飯,你都是在把能量轉化回質量。任何增加或減少系統能量的東西都會導致系統質量的改變。這就是質能方程,這就是你吃飯長肉的原因。

相關焦點

  • 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?
    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。
  • E=mc^2是否意味著一克質量,就相當於原子彈的能量?
    一個運動的物體,經典力學解釋為物體質量為m,速度為v時,物體的動能為mv^2/2。同樣是這個物體,在相對論中動能為Δmc^2,其中Δm為動質量,此時物體總質量為(m+Δm)。,這部分質量本質上就是能量(結合能),但是我們生活中卻把它看成了靜止質量,這樣的例子還有很多很多。
  • 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。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?歸根結底就是基於狹義相對論的兩個基本前提,其中一個就是:光速不變原理(另外一個是相對性原理)事實上,光速不變原理就是一個假設,也可以認為是公理,無需證明。有了這個公理,推導出質量速度的關係公式進而推導出質能方程並不難!
  • 愛因斯坦的質能方程E=mc^2,能量怎麼會與光速產生關係?
    ,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。
  • 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。
  • 方程E = mc 中,m 的能量從何而來?
    經過億萬年的進化,大腦幫助人類發明了各種各樣的工具和技術,讓我們的生存和生活變得更容易,尤其是幾乎跟人類大腦同樣強大的計算機。在這本書中,作者將帶領我們踏上一段通往未來的探索之旅,講述科技的進步如何推動我們創造出「數字思維」。
  • 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。
  • 問:如何通過E=mc^2將能量轉換為1g質量?為何愛因斯坦無言以對?
    愛因斯坦要聽到這話,估計會從棺材中跳出來。很多人對愛因斯坦的E=mc^2存在誤解,愛因斯坦並沒有說過質量轉化為能量或者能量轉化為質量。質能等價方程也是在那年年底誕生的,同時還有著名的《狹義相對論》,不過《狹義相對論》較早一點,而質能等價可以說是《狹義相對論》的延續。愛因斯坦基於光速不變原理和相對性原理,兩條公理推導出了《狹義相對論》的全部,其中質增效應描繪質量也是相對的與速度相關。
  • E=mc 是否意味;即使是一個粉筆,也擁有巨大的能量?
    在愛因斯坦的狹義相對論中,描述了質量和能量是等價的,這也就是大名鼎鼎的質能方程,表述為物質的能量(E)等於物質的質量(m)和光速平方(c2)的乘積,即E=mc^2。
  • 【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
    圖片來源於網絡英國科學期刊《物理世界》曾經讓讀者投票評選了「世界上最偉大的十個公式」,其中,愛因斯坦的質能轉換方程
  • 重新認識質能轉換
    我們知道一個簡單的事實,燃燒能產生光和熱,也就是物質燃燒釋放能量(電磁波),我們現在的解釋是物質釋放化學能,其過程非常複雜,但不管如何解釋,燃燒產生了光速的光子,這點無庸置疑;原子彈爆炸,原子核裂變,原子直接釋放伽瑪射線,一種光速的高能粒子;太陽在我們頭頂燃了四十億年,將無數的光子、射線輻射到地球;甚至我們人體和所有有溫度的物質都一直在向外輻射電磁波,這些都是我身邊常見的質能轉換現象
  • 都知道E =mc^2,但是質量將從哪裡獲取能量呢?
    我們用來描述宇宙的所有方程中,最著名的一個就是:E = mc^2,也是最深刻的。它是100多年前由愛因斯坦首次發現的,它教會了我們許多重要的事實。我們可以把質量轉化為純粹的能量,比如通過核裂變、核聚變或物質反物質湮滅。我們可以從純粹的能量中創造出粒子(和反粒子)。也許最有趣的是,它告訴我們,任何有質量的物體,無論我們如何冷卻它,使它慢下來,或使它與其他物體隔離,它總會有一定數量的固有能量。
  • 一個原子完全轉換成能量,能讓一輛電動車跑多遠?答案超出認知!
    儘管汽車的普及率已經很高,但大部分朋友還是會備一輛電動車,當然這裡說的電動車指的是電動自行車,一般的我們大概2-3年更換一次電瓶,這是因為電動車用的是鉛酸電池,它的儲能性能並不是特別好,但日常代步絕對不是問題!不過真正的電動車也一樣,不但時間長了電池衰減,而且還對溫度敏感,冬天電池就用不久!
  • E=mc^2質量可以轉化成能量,但能否用能量生成質量呢?愛因斯坦:幫我打開棺材,我看誰又在誤讀我的質能方程!
    質能等價方程也是在那年年底誕生的,同時還有著名的《狹義相對論》,不過《狹義相對論》較早一點,而質能等價可以說是《狹義相對論》的延續。下面我從物體質量是怎麼來的說說:在牛頓力學中質量具有慣性,表現為物體對其運動狀態變化的一種阻抗程度,似乎有一種能量在阻止物體改變運動狀態。通過質能公式,我們可以得到系統中包含的靜能量將表現為質量。
  • 質能方程為什麼是E=M*C^2?
    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。
  • 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。
  • E=mc^2質量可以轉化成能量,但能否用能量生成質量呢?
    質能等價方程也是在那年年底誕生的,同時還有著名的《狹義相對論》,不過《狹義相對論》較早一點,而質能等價可以說是《狹義相對論》的延續。    它們不存在轉化,就像你叫小紅,你的小名小寶貝,我無論叫小紅還是小寶貝都是在叫你。