E=mc^2，這也許是當(dāng)今世界上最著名的方程，也是世界上最優(yōu)雅的方程之一。 等號(hào)兩邊的內(nèi)容這么簡(jiǎn)單，一邊是能量，一邊是質(zhì)量和光速的平方，連小學(xué)生都看得懂，但這個(gè)方程背后的奧秘卻如此復(fù)雜。
有時(shí)，這個(gè)方程只是作為科學(xué)的象征——就像在許多科普海報(bào)中，??E=mc^2 的出現(xiàn)意味著涉及到一些嚴(yán)肅的物理學(xué)。 然而，愛(ài)因斯坦提出的質(zhì)能方程所隱含的關(guān)系卻是宇宙本身基本性質(zhì)的基礎(chǔ)。 質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也可以產(chǎn)生質(zhì)量。 質(zhì)量就是能量，能量就是質(zhì)量。 這個(gè)方程是兩個(gè)看似無(wú)關(guān)的東西。 在邊緣領(lǐng)域之間架起了一座橋梁。
這個(gè)方程背后的物理原理非常復(fù)雜。 但對(duì)于我們其他人來(lái)說(shuō)，愛(ài)因斯坦公式的意義主要?dú)w結(jié)為一件事：我們周?chē)奈镔|(zhì)中蘊(yùn)藏著大量的能量。 該方程將靜止物體的能量（方程左側(cè)的 E）等于物體的質(zhì)量乘以光速的平方。
您可能已經(jīng)知道，光傳播得非常快。 光子以每秒米的速度快速傳播。 現(xiàn)在乘以這個(gè)平方，這個(gè)數(shù)字就變得大得離譜。 光速的平方是8.×10^16 m^2/s^2（即8.9，后面跟著16個(gè)零）。 可以想象，如果手指上的一小塊指甲能夠轉(zhuǎn)化為能量，就能炸毀數(shù)座城市。
對(duì)質(zhì)能方程的誤解
圍繞質(zhì)能方程的一個(gè)常見(jiàn)誤解是質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。 看到這里你可能會(huì)疑惑，“不是說(shuō)質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化嗎？怎么這里又出現(xiàn)了誤解呢？”
事實(shí)上，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化的說(shuō)法并不完全正確，這也不是愛(ài)因斯坦在闡述其革命性思想時(shí)所想表達(dá)的意思。 相反，他的方程表明物體質(zhì)量的變化需要能量的變化。 這就是為什么核反應(yīng)的最終產(chǎn)物加起來(lái)比其母原子輕。 當(dāng)質(zhì)子和中子在核裂變過(guò)程中從原子中分裂出來(lái)時(shí)，它們會(huì)釋放能量。 簡(jiǎn)而言之愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程英語(yǔ)作文，任何物體都蘊(yùn)藏著巨大的能量。 當(dāng)這種能量被釋放時(shí)，它的質(zhì)量就會(huì)減少。 這個(gè)說(shuō)法比較嚴(yán)謹(jǐn)。
很容易看出，即使是非常少量的物質(zhì)也代表著非常大量的能量。 當(dāng)我們發(fā)明原子彈時(shí)，人類(lèi)嘗到了那種可怕能量的滋味。 當(dāng)“小男孩”原子彈落在日本廣島上空，釋放出巨大能量時(shí)，其放射性燃料的質(zhì)量損失不到一克。
當(dāng)然，將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量并不一定需要核反應(yīng)。 每次點(diǎn)燃蠟燭時(shí)，你都會(huì)從物質(zhì)中提取能量（雖然蠟燭的機(jī)理是化學(xué)反應(yīng)，而不是核反應(yīng)），但蠟燭發(fā)出的光和熱只是其所含能量的很小一部分。 一根蠟燭可以照亮一個(gè)房間，但里面所有物質(zhì)的能量足以煮沸印度洋的水。
光子悖論
盡管質(zhì)能方程看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但有一些特殊情況似乎挑戰(zhàn)了它的假設(shè)，例如光子。 光子的質(zhì)量為零，但光仍然含有能量（你可能沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)伽馬射線(xiàn)，但你也經(jīng)歷過(guò)陽(yáng)光的熱量）。 但將光子的質(zhì)量帶入愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程似乎證明愛(ài)因斯坦是錯(cuò)誤的。 在E=mc^2中，m為零，mc^2也為零，所以E當(dāng)然也為零。 但事實(shí)上，E不可能為零。 這就是光子悖論。 那么到底出了什么問(wèn)題呢？
事實(shí)上，這個(gè)悖論可以用一個(gè)稍微擴(kuò)展的、鮮為人知的公式來(lái)解決。 其實(shí)等號(hào)E=mc^2右邊還有一個(gè)數(shù)字愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，就是動(dòng)量p（動(dòng)量=質(zhì)量x速度），不過(guò)一般情況下，它們都是減少的。 當(dāng)應(yīng)用于光子時(shí)，方程如下所示：2E^2=p^2c^2+m^2c^4。 對(duì)于 m=0 的光子，方程可歸結(jié)為 E=pc。
因?yàn)楣庾右怨馑賯鞑ィ詿o(wú)論我們從哪里看到它們，它們都具有動(dòng)量，因此具有能量。 這一結(jié)果已被粒子物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，只有當(dāng)光子的能量質(zhì)量動(dòng)量方程成立時(shí)才能得到一致的結(jié)果。
傳說(shuō)中的等價(jià)物
令E為mc^2，你就擁有了20世紀(jì)最強(qiáng)大、最有影響力的物理學(xué)。 但這也是物理學(xué)上的邏輯飛躍。 在愛(ài)因斯坦的工作之前，科學(xué)家將能量和質(zhì)量視為兩種完全不同的事物。 能量，無(wú)論是光、熱還是其他形式，都是它自己的范疇，而所有物質(zhì)都擁有的質(zhì)量則是另一個(gè)范疇。 盡管質(zhì)量和能量可以相互作用，但它們永遠(yuǎn)不是等價(jià)的。
然而，愛(ài)因斯坦將質(zhì)量等同于能量，隱喻地摧毀了兩者之間的墻壁。 從這個(gè)角度來(lái)看，我們可以理解，質(zhì)量越大的物體，能量也越大。
愛(ài)因斯坦的方程不僅預(yù)示著原子彈的誕生，還預(yù)示著利用核能的其他方式。 今天的核電站使用與核武器相同的基本科學(xué)原理。 小型核“電池”為航行者號(hào)宇宙飛船提供動(dòng)力，而更大的核電站有一天可以為月球宇航員提供動(dòng)力。 如果人類(lèi)能夠解決持續(xù)核聚變這一艱巨的科學(xué)挑戰(zhàn)，我們將再次感謝愛(ài)因斯坦。