錯誤的認知
常常聽到有好多人在述說核彈或則原子彈爆燃時這樣說:
至于你要問為何?他會說,依據愛因斯坦的質能多項式:
那這個說法對還是不對呢?我們直接給出解釋:并不對。
假如非要推選一個人類史上最知名的公式,這個質能多項式很有可能是第一名,實在太好記了。但若果要推選一個人類史上誤解最深的公式,那質能多項式應當可以躋身第一名。
明天,我們就來聊一聊:質能多項式以及關于質能多項式的誤會。
質能多項式是哪些?
這要從1905年說起,這一年被稱為愛因斯坦的奇跡年,在這一年愛因斯坦發表了四篇可以被載入史冊的論文,其中第三篇《論運動物體的電動熱學》就是我們熟悉的狹義相對論。
而在當初的晚些時侯,愛因斯坦又發覺了一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎?》作為狹義相對論的補充,在這一篇當中就出現了我們熟悉的質能多項式,只不過,當時愛因斯坦敘述并不是我們熟悉的樣子,而是m=E/c^2。
那這個公式究竟想抒發的是哪些呢?
這件事就要回溯到牛頓時期了,牛頓寫了一本專著《自然哲學的物理原理》,開篇就給“質量”下了一個定義。
物質的量是起源于同一物質密度和大小聯合上去的一種測度。
總之不管咋說,牛頓的敘述起碼讓我們明白一點,那就是“質量”和“運動”無關,無論你跑多快,你的質量就在哪里,不增也不減。牛頓的想法或許也是20世紀之前,科學界的普遍想法。
除此之外,牛頓還是留下了一個挺好的工作方式沿襲至今,那就是凡事先下定義。他的《自然哲學的物理原理》前面10多頁都在下定義,我們熟悉的好多化學量都是牛頓給下的。所以,后來的科學研究,的第一步都是給研究物下定義。
然而,愛因斯坦就是出了名的愛搞顛覆,雖然之前牛頓還覺得:
時間和空間和運動狀態無關。
說白了就是,無論你跑得有多快,你和站在地面上一動不動的男子伴,感遭到的時間和空間都是一樣的。更直小白點說,就是對于你和他來說,一米和1秒是一模一樣的。這當然也很符合我們的常識。
可愛因斯坦說,這是不對的。由于你還跑得不夠快,假如你做一艘飛船快速劃過去,那你和地面上的男子伴感遭到的時間和空間都會不同。我們可以看空間上的不同,右圖就是10%光速的情況:
這是80%光速的情況:
而這是95%光速的情況:
這也就是知名的尺縮效應。而時間呢?飛船上的時間相對于地面就有時間膨脹的效應。
無論是尺縮效應還是時間膨脹效應,都是因為慣性參考系的不同造成的,這兒就不想詳盡贅言了。
我們回歸題外話,實際上,愛因斯坦是統一了“時間”和“空間”。可他后來,逐步反應過來,他發覺似乎能夠統一“質量”和“能量”。
具體來說是這樣的,他通過狹義相對論最基礎的兩條假定,去推演運動物體的質量m,之后就得出了下邊這樣一個公式,(假如不想看公式的童鞋,可以直接拉到質能等價那部份,也不會影響到閱讀)
質量m稱作相對論質量,它隨著速率v的減小而減小。而質量m0,雖然就是v=0的時侯質能方程的公式,也就是靜止的時侯的質量。這個m0似乎就是牛頓定義的質量,它和物體的內部結構有關,我們管這個質量稱作靜止質量。
假如我們把速率取0.9945倍光速,那這時侯的m≈9.55m0,具體來說就是,假如以0.9945倍光速運動,那這個時侯的相對論質量m都會減小到方式的靜止時的9.55倍。
所以,我們很容易得出這樣的推論:
速率越快,相對論質量越大,要降低物體加速度就越困難。要使物體的速率達到無限接近光速,則質量也會趨近于正無窮,理論上,所須要的能量也就是無窮大,所以才說光速是一切物質運動的極限速率。
在三體中,歌者文明搗毀三體星球時,就提及了一種稱作“質量點”的東西,它是一種極端接近光速的小物體。這似乎就是借用到相對論中的質量膨脹來搗毀星體。
這時侯,愛因斯坦就想:
運動時物體質量會減小,但是運動的時侯還有動能,質量和動能就會隨著速率減小而減小。
于是,愛因斯坦通過動能公式,假定物體是靜止的,也就是速率為0,動能為0,m=m0。于是推導入了:E=mc^2。(推論的過程涉及到一點微積分,雖然并不復雜)
質能等價
那質能多項式E=mc^2,究竟有哪些含意呢?
簡單來說就是:
質量和能量并不是獨立存在的化學量。一切能量都有質量質能方程的公式,一切質量都有能量。
E=mc^2只是告訴我們,一個系統能量和質量的等價關系,而不是轉換關系式。所以好多人所謂的“質量不守恒,能量不守恒,質能才守恒”的看法是不對的,實際上有多少能量就對應相應的質量,所以質量是守恒的,能量也是守恒的,因而質能才是守恒。
我們可以舉個反例:
就還拿好多人喜歡用的核武帶來舉例,假如有個非常理想的袋子,一顆原子彈置于上面,但是置于一個足夠大的秤上。
假如袋子是完全和外界隔絕的,沒有任何能量交換,爆燃以后質量不會發生任何變化,秤原先多大,爆燃以后還多大。
假如袋子不是完全和外界隔絕的,能量可以以光或則熱的方式逃逸出去,那這個時侯,質量都會降低,秤的示數都會降低。也就是說,逃逸的能量雖然帶走了它對應的質量。
所以,質量,能量似乎都不能被剿滅,只能從一個地方轉移到另外一個地方。
所以,愛因斯坦想告訴我們并不是“能量和質量能互相轉化”,而是“質量和能量似乎是同一樣的東西,只是以不同的單位進行檢測而已,也就是說能量和質量是一體兩面的。”
在高能化學領域中,
科學家就發覺,
物質的99%的質量來始于禁錮夸克的強互相作用輸出的能量,通過質能等價E=mc^2,我們可估算出它所表現出的質量。剩余的1%則是來自于粒子和希格斯場的互相作用。
也就是說,物質的質量來始于運動的能量和非實物的場。
關于質量多項式,我們就說到這兒。