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谢邀 。
质能方程的推导需要用到狭义相对论中的质速关系(从洛伦兹变换中得到):
质速关系表明,物体的惯性质量并非一个不变的常数,而是会随着速度v的加快而变大 。当速度v趋于光速c时,原本静质量只有m0的物体,运动质量m会增大到无穷 。这也是为什么对于那些拥有静质量的物体,光速是不可能达到的极限;而对于那些没有静质量的物体,光速就是它们的唯一所能运动的速度 。
由于惯性质量会发生变化,所以需要对牛顿第二运动定律进行拓展:
结合上述两式,可以计算出物体在速度为v时所具有的动能:
在上式中,mc^2表示物体在速度为v时所具有的能量,m0c^2表示物体在相对静止时所具有的能量 。于是,就能得到质能方程:E=mc^2 。
从质能方程中可以看出,质量和能量在本质上是等价的 。质量在某些情况下会转变为能量,例如,核裂变、核聚变和湮灭反应 。反过来,能量在某些情况下也会转变为质量,例如,布莱特-惠勒过程、宇宙创生过程 。
此外,需要注意的是,质能方程并非促使原子弹的诞生,而是人们制造出原子弹之后,利用该方程解释了原子弹的机理 。不过,爱因斯坦对于原子弹的诞生还是起到了作用,因为他当年与另一位物理学家西拉德(核链式反应的真正提出者)联名写信给罗斯福总统,这多少促成了后来的曼哈顿计划 。
见下图,这是从动能角度进行的推导:
如果没学过微积分,也不要紧,你可以看一下上图开头第一个等式,F代表力、dx代表无限短的位移(x代表位移) 。中学物理学过,力和位移的乘积就是力做的功,也是动能的变化量 。
之后还要涉及一个狭义相对论的推论,就是质量和相对速度的关系(见上图 。也就是速度变快,质量就会变大),注意这点之后,剩下的全是数学推导了,最后看一下结论:E=(m-m0)c^2,这就是动能定理的相对论形式 。
其中m代表的是物体运动时的质量,m0代表物体静止时的质量 。上面的结论可以写成:E=mc^2-m0c^2,爱因斯坦将其解释为:(物体的动能)=(物体运动时的总能量)-(静止时的总能量)
于是我们常见的E=mc^2,就是这么来的 。
这个方程的适用范围很广,而且也很深刻,将物体的质量和能量通过一个光速c常量就联系在一起了 。
打个比方,两壶冷水、一壶加热、一壶不加热,加热的由于温度升高,内部分子平均动能上升,于是它的质量就比另一壶要高 。
再比如,一个压缩状态的弹簧,由于有了弹性势能,因此要比它正常状态下的质量要大 。
大概的推导过程就是下图这样吧,虽然不是很严谨,但是容易理解,这也是普通人最容易弄懂的推导过程了,上过大学物理和微积分就能看懂 。
你的打字太不认真,但是因为这个问题对广大读者有益,所以还是回答一下 。
在现在的参考书中,是定义了一个4维速度,即空间坐标和时间对于固有时间的导数(变化率),乘以静止质量,就是相对论动量和相对论质量 。然后,将相对论质量乘以光速的平方诠释成能量 。
爱因斯坦本人是如下推导的 。考虑某个惯性参照系中的一个静止物体具有能量E 。这个物体沿着方向相反的两个方向分别发出能量L/2的光 。因此物体能量较少L 。
在相对这个参照系的速度为v的观察者来看,每束光的能量不是L/2,与速度v和光与运动速度的夹角有关 。爱因斯坦推导出,两束光的能量之和,也就是物体能量的减少是gL,其中g是洛伦兹因子 。这与静止参照系的差别是(g-1)L 。这在速度较小时约等于(L/c^2)v^2/2,这就是质量为L/c^2的动能 。因此爱因斯坦推论,如果物体发出能量为L的辐射,它的质量就减少L/c^2,也就是说,L=mc^2 。
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