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[中外科學] 爱因斯坦质能方程 , 你真的足够了解了吗?

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环球科学 發表於 2018-2-6 00:00 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

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1934年,爱因斯坦给听众们推导狭义相对论

爱因斯坦E=mc2,一个简洁且意义重大基础物理公式,甚至彻底颠覆了人们的认知。它使人们意识到,质量和能量是同一事物的不同现形式。以这种方式思考,使我们能够发现构成我们宇宙的基本粒,利用核能,发明核武器,并发现描述宇宙中每个物体如何相互作用的重力理论。

作者 | Ethan Siegel

翻译 | 山小沙弥

审校 | yangfz&螳吉呵呵

几百年来,有一个永恒的物理定律,它从没有受到过挑战:在宇宙中发生的应中,质量始终是守恒的。无论发生反应的反应物是什么,反应的过程是如何进行的,最后有什么产物产出,发生反应的反应物的质量总和总是和反应后所有产物的质量总和相等。但是在狭义相对论中,质量根本不可能是一个守恒量,因不同参考系的人会认为两个参考系的能量是不同的。相反,爱因斯坦从中推出了我们今天仍在使用的一个规律,这个规律由简单却又很强大的公式所记录,那就是:E=mc2。

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1967年,准备测试的核动力火箭引擎。

这个方程仅仅由项构成:

1.E,也就是能量,方程的其中一边有且仅有这项,它代表的是系统的能量总和。

2.m,也就是质量,通过一个转换因子就能将其和质量联系在一起。

3.c2,光速的平方,是一个可以让E和m等同起来的因子。

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1925年,波尔和爱因斯坦在爱伦菲斯特中讨论一些当时的理学前沿问题。

这个等式意味着什么呢?毫不夸张的说,它彻底颠覆了人们的认知。正如爱因斯坦所说的那样:

『从狭义相对论来看,质量和能量是同一事物的不同表现形式——对一般人来说,这可能是个不同寻常的概念。』

下面是这个简洁的方程的三个最大的意义。

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标准模型的夸克,反夸克和胶子除了质量和电荷等所有其他质外,还具有色荷。 只有胶子和光子静止质量为零; 其他的,括中微子,有非零的静止质量。

即使是静止的物体也具有属于它们的固有能量。也许你已知道了一些很种类型的能量,如机械能,化学能,电能以及动能。这些都是移动的物体或者发生反应的化学物质所具有的固有能量,这些能量可以用来做功,如启动引擎,给泡充电,把谷物磨成面粉等。但是,即使是平整的,陈旧的,排列得整整齐齐的静止物体也具有一定的能量,而且是巨大的能量。这就具有非常重大的意义:引力,也就是顿万有引力描述的宇宙中任何两个具有质量的物体,都和能量是息息相关的,质量和能量两者的关系正是E=mc2。(引力,也就是牛顿所描述的宇宙中两个有质量的物体之间的相互作用同样起源于能量,质量和能量两者的关系正是E=mc2)

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由能源产生的物质/反物质对(左)是完全可逆的反应(右),物质/反物质湮没变回能量。 服从E = mc ^ 2的创造和湮灭过程是唯一已知的创造和消灭物质或反物质的方法

质量能转化成纯粹的能量。这是这个等式第个重要的意义,式中描述的就是两者互相转化的关系。将1千克的质量完全转化成能量,你将会获得9X1016焦的能量,相当于21兆吨的TNT炸药爆炸产生的能量。当我们进行放射性实验,或者是核裂变或核聚变实验,反应前后的物质的质量是不相等的,此时也许你会说质量守恒定律失效了,然而并非如此,这些『消失』的质量其实是转化成能量的!从衰变的铀到裂变的炸弹,从太阳的核聚变,再到物质-反物质的湮没,都是如此。你『消灭』的质量变成了能量,你得到的能量是E = mc2。

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2014年大型强子对撞机发生的高能碰撞产生的粒子轨迹。复合粒子被分解成各自的成分并散射,但是碰撞中的产生了新的粒子。

能量不仅仅只能是能量了,而且可以转化成质量。最后这个意义是最深刻的。如你将两个球磨碎,放在一起,它们还是两个台球。如果你一个电子和一个光子『磨碎』放在一起,你得到的还是一个电子和一个光子。但是如果用够大的能量将它们『磨碎』后放在一起,那么你得到的将是一个电子,一个光子,一个新粒子和对应的反物质粒子。换句话说,你将得到两个具有质量的新粒子:

新的粒子,如电子,质子,中子等;

与之对应的反物质粒子,如正电子,反质子,反中子等。

这对新的粒子之所以会出现,是由于你提供了足够多的能量。这就是粒子加速器如LHC、CERN,寻找新的不稳定的高能粒子(如希格斯玻色子或顶夸克)的方式:用能量创造出新的粒子。产出的质量仍遵循:m=E/c2。这也意味着如果你的粒子有一个有限的寿命,那么根据海森堡不确定性原理,它的质量具有固有的不确定性,因为∆E∆t ~ħ,那么对于质量而言,也存在∆m。当物理学家们谈论到粒子衰变度时,这种固有的质量不确定性就是他们谈论的内容。

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根据广义相对论,时空的弯曲是由引力造成的。

质能等价的事实也就催生了爱因斯坦的最大成就:广义相对论。想象一下,你有一个粒子和与其相对应的反粒子,每个都有相同的静止质量。你可以『消灭』它们,它们会产生一定数量的能量的光子,具体数量由E = mc2给出。现在请你发挥想象,这颗粒子/反粒子快速地移动,就如它们从外太空掉下来一样,然后在接近地球表面的地方湮灭了。那些光子现在有额外的能量:不仅仅是来自E = mc2的E,而且还有来自下降过程中获得的动能E。

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如果物质和反物质湮灭,它们会产生极其特定能量的光子。如果它们在引力场下落后产生这些光子,则能量应该更高。 这意味着必定会有某种引力红移/蓝移,牛顿引力不能预测这种现象,否则能量就不会守恒。

如果能量是守恒的,我们就要明,引力红移(蓝移)一定是真实的。牛顿的引力理论无法解释这一点,但在爱因斯坦的广义相对论中,空间的弯曲意味着陷入引力场使你获得能量,而爬出引力场对应的就是失去能量。那么对于任何运动的物体,我们不能仅仅用E = mc2描述,而应该是E2 = m2c4 + p2c2,p代表的是动量。只有包含了能量,动量,引力,我们才能相对真实的描述这个宇宙。(m指的是静止质量,运动的物体就不能简单的用E = mc2描述。)

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当辐射量子离开引力场时,其频率必须红移以满足能量守恒; 当它落入引力场时,它必须是蓝移的。只有万有引力本不仅与质量也和能量有关,才有意义。

爱因斯坦质能方程E = mc2,是一个简洁且意义重大的基础物理学公式。物质具有固有的能量,质量可以在一定条件下转化为纯粹的能量,并且能量可以用来创造不曾发现过的『大质量』物体。以这种方式思考问题,使我们能够发现构成我们宇宙的基本粒子,利用核能,发明核武器,并发现描述宇宙中每个物体如何相互作用的重力理论。什么才是找到这个公式的关键?只需一个简单的思想实验,基于一个简单的概念:能量和动量都是守恒的。剩下的呢?那只是宇宙运行中发生的一些不可避免的结果。

本文转载自公众号『中科院物理所(ID:cas-iop)』


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