为什么E=M*C^2

  • 2018-12-17
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E 代表能量,M代表质量,C代表光速。

(光速=299792458m/s)

那么,为什么能量等于质量M乘以光速的平方?

爱因斯坦的这个公式是要告诉我们,能量跟质量其实是一回事,两者之间仅仅是一个常数关系。

我们的常识告诉我们,这是一个物质的世界,万物都是由分子构成的,分子是由原子构成的。物质的质量是实实在在的,而能量是虚无缥缈的,两者之间是如何划上等号的关系?

我们先聊聊一个毁三观的实验:

100年前,人们为了搞清楚原子是由什么构成的,著名物理学家卢瑟福想到一个办法,就是著名的金箔实验。

卢瑟福把原子当成是一个靶子,用α粒子对它进行扫射,发现,绝大多数α粒子穿过金箔后几乎沿原反向前进,少数发生较大偏转,极少数几乎沿原方向返回。

于是,卢瑟福由此建立了原子模型,即:原子是由原子核加上周围的电子构成的。

后来,科学家进一步发现原子核是由质子和中子构成的,再到后来,科学家证实了夸克模型,即,质子和中子是一种夸克这种粒子构成的。

那么夸克又是由什么构成的呢?科学家再次使用了类似瑟卢瑟福当年的实验,用更高速的轰击夸克粒子。让所有人震惊的是,夸克内部是空的!

夸克不可再分了,因为,它本身仅是“一团旋转的能量”。

这种能量又由一种叫“胶子”的神奇力量将能量赋予以质量、形状和体积。

科学家的实验告诉我们,物质无限分割的尽头竟是看不到摸不着的能量!

物质的底层是能量,能量的最终体现是物质。

能量与物质的质量之间存在着某种直接的对应关系,也就是脑洞大开的爱因斯坦用一个极简的公式表达了出来。

好吧,那说回E=MC^2这个公式是怎么来的呢?

纳尼?这个怎么可呢过看得懂。

不过还好,张首晟教授教过我们,要理解物理,把单位搞清楚就容易多了,那么,能量与质量两者在单位上是怎样匹配上的。

物质是能量的,比如,木材、石油、电池,物质的内在都潜藏着能量,同样的体积下,石油蕴藏的能量就是币电池搞,不同物质的蕴含的能量多寡不同,我们这里引入一个“能量密度”的概念。

同体积下,能量密度= 能量/质量

能量(热量)的是单位是焦耳J,它是能量和机械功一个衍生单位,它可以表述为对物体的做功,即用一个力能把物体移动一定的距离。在经典力学里,1焦耳等于施加1牛顿作用力经过1米距离所需的能量。

能量=力x距离,即FL, 可推导为:能量密度=  (F L)/ M

而力等于质量x加速度,即F=M a,可推导为:能量密度=(M a L)/M = aL

加速度则等于距离除以时间的平方,即a = L / t^2, 可推导为:能量密度= L^2 / t^2, 即长度的平方除以时间的平方。

由于长度等于速度乘以时间, L=v t,可推导为,能量密度= (vt)^2 / t^2 = v^2, 即能量密度等于速度的平方。

那么问题来了,能量密度的上限是什么?能量密度就是速度的上限,由于光速是速度的最大值,那么,可以表述为,能量密度的上限= 光速的平方。

能量密度 = 能量/质量=E/M

即 E/M=C^2,即 E=M*C^2

这样,能量与质量之间的单位就打通了,并且可以表述为,1kg蕴含的总能量为:

1kg * (299792458m/s)^2 = 8.987551787 x 10^16 J

本文仅是个人理解,如需深入,自个琢磨去。

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