愛因斯坦在1934年為旁觀者提供了狹義相對(duì)論

它可能是所有等式中最著名的一個(gè)，它出現(xiàn)在了我們每個(gè)人的課本之中。

如果你聽說過阿爾伯特·愛因斯坦，那么你可能至少知道他自己推導(dǎo)出的一個(gè)著名的方程：E=MC2。這個(gè)簡單的方程式詳細(xì)說明了系統(tǒng)的能量(E)，其靜止質(zhì)量(M)，以及與兩者相關(guān)的基本常數(shù)，即光速平方(c2)之間的關(guān)系。盡管這個(gè)等式是你可以寫下來的最簡單的等式之一，但它的含義是戲劇性的和深刻的。

在基本層面上，一個(gè)物體的質(zhì)量和它內(nèi)部儲(chǔ)存的固有能量是等價(jià)的。質(zhì)量只是許多能量的一種形式，例如電能、熱能或化學(xué)能，因此能量可以從這些形式中的任何一種轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，反之亦然。愛因斯坦方程式的深刻含義在日常生活中以許多方式影響著我們。這里有五個(gè)教訓(xùn)，每個(gè)人都應(yīng)該學(xué)習(xí)。

這顆鐵鎳隕石由“機(jī)遇號(hào)”探測并拍攝，是在火星表面發(fā)現(xiàn)的第一顆這樣的天體。如果你把這個(gè)物體切成單個(gè)的、組成它的質(zhì)子、中子和電子，你會(huì)發(fā)現(xiàn)整體的質(zhì)量實(shí)際上比它各部分的質(zhì)量之和要小。

1.質(zhì)量不守恒。

當(dāng)你想到變化的東西與在這個(gè)世界上保持不變的東西時(shí)，質(zhì)量是我們通常保持不變的量之一，而不會(huì)過多地考慮它。如果你拿一塊鐵并將其切成一堆鐵原子，你完全可以預(yù)期整體等于其各部分的總和。這是一個(gè)明顯正確的假設(shè)，但前提是質(zhì)量是守恒的。

然而在現(xiàn)實(shí)世界中，根據(jù)愛因斯坦的理論，質(zhì)量是不守恒的。如果你拿一個(gè)包含26個(gè)質(zhì)子、30個(gè)中子和26個(gè)電子的鐵原子，把它放在一個(gè)天平上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些令人不安的事實(shí)。

• 含有所有電子的鐵原子比鐵核略重，其電子分開，
• 鐵原子核的重量明顯小于26個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子的重量。
• 如果你試著把一個(gè)鐵原子核熔合成一個(gè)更重的原子核，它需要你輸入的能量比輸出的能量要多。

鐵56可能是結(jié)合最緊密的原子核，每個(gè)核子的結(jié)合能最大。但是，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，您必須逐個(gè)元素地構(gòu)建。氘是自由質(zhì)子的第一步，它的結(jié)合能極低，因此很容易被相對(duì)較小能量的碰撞破壞。

這些事實(shí)中的每一個(gè)都是正確的，因?yàn)橘|(zhì)量只是能量的另一種形式。當(dāng)你創(chuàng)造的東西比制造它的原材料能量更穩(wěn)定時(shí)，創(chuàng)造的過程必須釋放出足夠的能量來保存系統(tǒng)中的總能量。

沒有能量，而這些能量一定來自某個(gè)地方:混合成分的質(zhì)量。這對(duì)于核躍遷比原子躍遷更為嚴(yán)重，前者的能量通常是后者的1000倍左右。

事實(shí)上,利用E = mc2的后果就是我們?nèi)绾潍@得第二個(gè)寶貴的結(jié)論。

人們對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論進(jìn)行了無數(shù)的科學(xué)檢驗(yàn)，使其受到人類迄今為止所獲得的一些最嚴(yán)格的約束。愛因斯坦的第一個(gè)解是一個(gè)單一質(zhì)量附近的弱場極限，比如太陽;他把這些結(jié)果成功地應(yīng)用到我們的太陽系中。我們可以把這個(gè)軌道看作是地球(或任何行星)圍繞太陽自由落體運(yùn)動(dòng)，在它自己的參照系中沿著直線運(yùn)動(dòng)。所有的質(zhì)量和所有的能量來源都構(gòu)成時(shí)空的曲率。

2.能量是守恒的，但只有當(dāng)你考慮到變化的質(zhì)量時(shí)。

想象一下地球繞太陽運(yùn)行的軌道。我們的行星快速運(yùn)行：平均速度約為30 km / s，這是將它保持在一個(gè)穩(wěn)定的橢圓軌道所需的速度，平均距離太陽150,000,000公里（9300萬英里）。如果你把地球和太陽單獨(dú)放置，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們比現(xiàn)在的地球 - 太陽系統(tǒng)更重。

當(dāng)你有任何將兩個(gè)物體結(jié)合在一起的作用力 - 無論是在圍繞原子核軌道運(yùn)行電子的作用力，將質(zhì)子和中子保持在一起的作用力，還是將行星固定在恒星上的作用力- 整體都是比單個(gè)部分大。將這些物體粘合在一起越緊密，結(jié)合過程發(fā)出的能量就越多，最終產(chǎn)品的靜止質(zhì)量就越低。

無論是在原子、分子還是離子中，電子從高能量能級(jí)到低能能級(jí)的躍遷都會(huì)導(dǎo)致特定波長的輻射發(fā)射。這就產(chǎn)生了我們所看到的發(fā)射線現(xiàn)象，這也是我們在煙花表演中看到的各種顏色的原因。即使像這樣的原子躍遷也必須保存能量，這意味著質(zhì)量的損失與產(chǎn)生光子的能量的比例是正確的。

當(dāng)你把一個(gè)自由電子從很遠(yuǎn)的地方帶進(jìn)來與一個(gè)原子核結(jié)合時(shí)，就像是從太陽系的外圍帶進(jìn)來一個(gè)自由下落的彗星來與太陽結(jié)合：除非它失去能量，否則它會(huì)進(jìn)來，靠近，然后再次彈射出來。

然而，如果系統(tǒng)有其他方式釋放能量，物質(zhì)就會(huì)變得更緊密。電子確實(shí)會(huì)與原子核結(jié)合，但只有當(dāng)它們在這個(gè)過程中發(fā)射光子時(shí)才會(huì)與原子核結(jié)合。彗星可以進(jìn)入穩(wěn)定的周期軌道，但前提是另一顆行星竊取了它們的部分動(dòng)能。質(zhì)子和中子可以大量結(jié)合在一起，產(chǎn)生更輕的原子核，并在這個(gè)過程中釋放出高能光子(和其他粒子)。最后一種情況可能是所有教訓(xùn)中最有價(jià)值和最令人驚訝的。

由25張?zhí)栒掌铣?，顯示365天內(nèi)太陽爆發(fā)/活動(dòng)。如果沒有適量的核聚變(量子力學(xué)使核聚變成為可能)，我們所認(rèn)識(shí)的地球上的任何生命都不可能存在。在其歷史上,大約有0.03%的太陽的質(zhì)量,或者土星的質(zhì)量,通過E = mc2轉(zhuǎn)化為能量。

3.愛因斯坦的E =mc2是造成太陽（恒星）閃耀的原因所在。

在太陽的核心內(nèi)部，溫度上升超過4,000,000 K的臨界溫度（高達(dá)近4倍），核反應(yīng)為我們的恒星提供動(dòng)力。質(zhì)子在極端條件下融合在一起，它們可以形成氘核 - 質(zhì)子和中子的束縛態(tài) - 同時(shí)發(fā)射正電子和中微子以節(jié)約能量。

然后，額外的質(zhì)子和氘核可以轟擊新形成的粒子，在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中融合這些核，直到產(chǎn)生具有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的氦-4。這個(gè)過程在所有主序恒星中自然發(fā)生，是太陽從中獲取能量的地方。

質(zhì)子 - 質(zhì)子鏈負(fù)責(zé)產(chǎn)生太陽能的絕大部分能量。將兩個(gè)He-3原子核融合到He-4中可能是地球核聚變的最大希望，也是一個(gè)清潔，豐富，可控的能源，但所有這些反應(yīng)都必須在太陽中發(fā)生。

如果你把這個(gè)氦-4的最終產(chǎn)品放在一個(gè)刻度上并將它與用來制造它的四個(gè)質(zhì)子進(jìn)行比較，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它減輕了約0.7％：氦-4只有99.3％的四個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量。盡管這些質(zhì)子中的兩個(gè)已轉(zhuǎn)換成中子，但結(jié)合能非常強(qiáng)，在形成每個(gè)氦-4核的過程中會(huì)釋放出約28 MeV的能量。

為了產(chǎn)生我們看到它產(chǎn)生的能量，太陽需要每秒將4×10 3質(zhì)子點(diǎn)融合成氦-4。這種融合的結(jié)果是每秒產(chǎn)生5.96億噸氦-4，而400萬噸質(zhì)量通過E =mc2轉(zhuǎn)化為純能量。在整個(gè)太陽的整個(gè)生命周期中，由于其核心的核反應(yīng)，它大約損失了土星的質(zhì)量。

核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備在1967年進(jìn)行測試。這種火箭由質(zhì)量/能量轉(zhuǎn)換提供動(dòng)力，并以等式E =mc2為基礎(chǔ)。

4.將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量是宇宙中最節(jié)能的過程。

什么比100％效率更好？絕對(duì)沒有; 100％是您在反應(yīng)中所希望的最大能量收益。

好吧，如果你看一下等式E =mc2，它告訴你你可以將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成純能量，并告訴你你將獲得多少能量。對(duì)于你轉(zhuǎn)換的每1千克質(zhì)量，你會(huì)獲得高達(dá)9×10 15焦耳的能量：相當(dāng)于21兆噸的TNT。每當(dāng)我們經(jīng)歷放射性衰變，裂變或聚變反應(yīng)，或物質(zhì)與反物質(zhì)之間的湮滅事件時(shí)，反應(yīng)物的質(zhì)量大于產(chǎn)物的質(zhì)量; 差異在于釋放多少能量。

在Enewetak環(huán)礁進(jìn)行核武器試驗(yàn)Mike(當(dāng)量10.4 Mt)。測試是常春藤行動(dòng)的一部分。邁克是第一顆氫彈。釋放這么多能量相當(dāng)于大約500克的物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為純能量:對(duì)于這么小的質(zhì)量來說，這是一個(gè)驚人的大爆炸。

在所有的情況下，產(chǎn)生的能量——以所有的組合形式——恰好等于生成物和反應(yīng)物之間質(zhì)量損失的能量。最后一個(gè)例子是物質(zhì)-反物質(zhì)湮滅，一個(gè)粒子和它的反粒子相遇并產(chǎn)生兩個(gè)光子，其剩余能量恰好是兩個(gè)粒子的剩余能量。

取一個(gè)電子和一個(gè)正電子，讓它們湮滅，你總會(huì)得到兩個(gè)光子，恰好是511kev的能量。這不是巧合,電子和正電子的靜止質(zhì)量是每511 keV / c2:相同的值,就占的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的因素c2。愛因斯坦最著名的方程式告訴我們，任何粒子——反粒子湮滅都有可能成為最終的能量來源:一種將燃料的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)化為純凈、有用能量的方法。

頂夸克是標(biāo)準(zhǔn)模型中已知的最大質(zhì)量粒子，也是所有已知粒子中壽命最短的粒子，平均壽命為5×10^-25秒。當(dāng)我們在粒子加速器中通過e=mc 2產(chǎn)生足夠的自由能時(shí)，我們產(chǎn)生頂夸克。但它們的壽命不足以形成束縛態(tài)。它們只以自由夸克的形式存在，然后衰變。

5.你可以利用能量來創(chuàng)造物質(zhì) - 巨大的粒子 - 除了純粹的能量之外什么都沒有。

這也許是最重要的經(jīng)驗(yàn)。如果你拿了兩個(gè)臺(tái)球并將其撞到另一個(gè)臺(tái)球上，你總會(huì)期望結(jié)果有一些共同之處：而事實(shí)往往相同。

但是，對(duì)于粒子來說，故事是不同的。如果你拿兩個(gè)電子并將它們粉碎在一起，你會(huì)得到兩個(gè)電子，但是如果有足夠的能量，你也可能會(huì)得到一個(gè)新物質(zhì) - 反物質(zhì)對(duì)。換句話說，你將創(chuàng)造出兩個(gè)先前不存在的新的大質(zhì)量粒子：物質(zhì)粒子（電子，μ子，質(zhì)子等）和反物質(zhì)粒子（正電子，反μ子，反質(zhì)子等）。

當(dāng)兩個(gè)粒子以足夠高的能量碰撞時(shí)，它們就有機(jī)會(huì)產(chǎn)生額外的粒子-反粒子對(duì)，或者量子物理定律所允許的新粒子。愛因斯坦的E =mc2就是這樣不分青紅皂白的。在早期宇宙中，大量的中微子和反中微子以這種方式在宇宙的第一分之一秒內(nèi)產(chǎn)生，但它們既不會(huì)衰變，也不會(huì)有效地湮滅。

這就是粒子加速器如何成功地創(chuàng)建他們正在尋找的新粒子：通過提供足夠的能量來創(chuàng)建這些粒子，通過愛因斯坦的方程式。只要有足夠的自由能，就可以制造質(zhì)量為m的任何粒子。

從純能量產(chǎn)生物質(zhì)/反物質(zhì)對(duì)(左)是一個(gè)完全可逆的反應(yīng)(右)，物質(zhì)/反物質(zhì)湮滅回到純能量。當(dāng)一個(gè)光子被創(chuàng)造和毀滅時(shí)，它同時(shí)經(jīng)歷這些事件，而不能經(jīng)歷任何其他的事情。

愛因斯坦的E = mc2是基礎(chǔ)物理的簡單規(guī)則的勝利。質(zhì)量不是一個(gè)基本的量，但能量是，質(zhì)量只是能量的一種可能形式。從核能到粒子加速器，再到原子，再到太陽系，所有的一切都以質(zhì)量為基礎(chǔ)。只要物理定律是它們本身，就不可能有其他的方式。正如愛因斯坦自己所說:

從狹義相對(duì)論出發(fā)，質(zhì)量和能量都是同一事物的不同表現(xiàn)形式 - 對(duì)于普通人來說，這是一種有點(diǎn)陌生的概念。

愛因斯坦去世60多年后，距離他把他著名的方程式帶回到現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)是很久以前的事了。自然法則不僅適用于物理學(xué)家;它們是地球上每一個(gè)好奇的人都可以體驗(yàn)、欣賞和享受的。