爱因斯坦的方程式原本是E2=p2c2+m2c4,其中E为总的相对论能量,p为动量,m为质点的静止质量,c为光速 。人们一般只是引用这一方程式的一个部分,即E=mc2,这只适用于惯性系,也就是粒子处于静止状态 。
这个方程式很有名,因为在爱因斯坦发明这一方程式之前,人们都认为,静止的粒子没有能量,后来我们都看到,如果一个大的原子核分裂成更小的粒子,它们的质量加起来小于原来原子核的质量,大量的能量就会突然释放出来 。事实果然如此 。
先简单了解质能方程如何来的吧
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 。
对它的理解可以从下面简单入手:
相对比广义相对论公式,质能方程E=MC是很多人都熟悉的,一生至少见过一次吧 。但此公式应该如何理解,包含什么样的深意,是我要告诉大家的 。
质能方程表述如下:E=MC 。其中,E是能量,单位是焦耳(J) 。M是质量,单位是千克(Kg) 。C是真空中光速(m/s),c=299792458m/s
首先大家要知道的是——爱因斯坦这个公式是从狭义相对论中推得的 。也就是必须基于狭义相对论的两个前提:光速不变和狭义相对性原理 。该公式表明物体相对于一个参照系静止时仍然有能量,这是违反牛顿系统的,因为在牛顿系统中,静止的物体是没有能量的 。这就是为什么物体的质量被称为静止质量 。
公式中的E可以看成是物体总能量,它与物体总质量(该质量包括静止质量和运动所带来的质量)成正比,只有当物体静止时,它才与物体的(静止)质量(牛顿系统中的'质量')成正比 。这也表明物体的总质量和静止质量不同 。
反过来讲,一束光子在真空中传播,其静止质量是0,但由于它们有运动能量,因此它们也有质量 。
爱氏质能方程,一般有以下三种表达 。
表达形式1:E0=M0C2。式中的M0为物体的静止质量,E0为物体的静止能量 。中学物理教材中所讲的质能方程含义与此表达式相同,通常简写为E=MC 。
表达形式2:Ev=MvC 。Mv为随运动速度增大而增大了的质量 。Ev为物体运动时的能量,即物体的静止能量和动能之和 。
表达形式3:ΔE=ΔMvC 。式中的Δm通常为物体静止质量的变化,即质量亏损 。ΔE为物体静止能量的变化 。实际上这种表达形式是表达形式1的微分形式 。
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