質(zhì)能方程為啥偉大，為什么要乘以光速平方，是如何推導(dǎo)出來(lái)的？

質(zhì)量守恒和能量守恒，是經(jīng)典力學(xué)就已經(jīng)解決的問(wèn)題。但在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同互不相通的概念，它們之間沒(méi)有確定的當(dāng)量關(guān)系，認(rèn)為一定質(zhì)量的物體可以具有不同能量，這種能量以動(dòng)量、沖量、動(dòng)能、勢(shì)能來(lái)表示。

愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)就是把質(zhì)量和能量這兩個(gè)東西糅合在一起了，劃了一個(gè)等號(hào)，即質(zhì)量和能量是等價(jià)的，而且可以互換的，其簡(jiǎn)化出來(lái)的公式為：E=MC^2，這就是偉大的質(zhì)能方程。

這個(gè)公式里的E表示能量，M表示質(zhì)量，C表示光速。這一步看起來(lái)簡(jiǎn)單，但卻是一個(gè)重大突破，就像一層窗戶(hù)紙，捅破了就可以看到外面的情景；又像一個(gè)魔術(shù)，揭秘前很神秘，揭秘后令人恍然大悟，原來(lái)就這么簡(jiǎn)單。

經(jīng)典力學(xué)的缺陷讓物理學(xué)發(fā)展出現(xiàn)烏云

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)出現(xiàn)了前所未有的危機(jī)，人們形容為物理學(xué)的兩朵烏云。這兩朵烏云為電磁力學(xué)和黑體輻射，采用經(jīng)典力學(xué)理論產(chǎn)生了不可調(diào)和的矛盾。在經(jīng)典力學(xué)框架下無(wú)法解決這些危機(jī)，已經(jīng)導(dǎo)致物理學(xué)停滯不前。

這引起了愛(ài)因斯坦等許多科學(xué)家們的思考，在愛(ài)因斯坦后來(lái)創(chuàng)立的狹義相對(duì)論中，認(rèn)為問(wèn)題的關(guān)鍵是，經(jīng)典力學(xué)是建立在絕對(duì)時(shí)空觀(guān)基礎(chǔ)上，將物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和空間割裂開(kāi)來(lái)考慮，解釋世界采用的是伽利略變換，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是1+1=2的理論。

伽利略變換可以解釋宏觀(guān)世界低速系統(tǒng)中的許多現(xiàn)象，因?yàn)檫@些解釋非常接近真相，在低速參考系有那么一點(diǎn)點(diǎn)差距完全可以忽略不計(jì)；但這種理論在接近光速的高速參考系里，或者深入到原子電子量子力學(xué)層面，就會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，差距就越來(lái)越大。

這是因?yàn)闀r(shí)空是不可割裂的，相對(duì)不同時(shí)空，觀(guān)察物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間性是不一樣的。愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論里用一個(gè)簡(jiǎn)單例子：一個(gè)乘坐在火車(chē)上的人隨手放下（不是丟下）一個(gè)鐵球，他看到的鐵球（忽略空氣阻力影響）是垂直掉落在路基上，而站在站臺(tái)上的人會(huì)看到鐵球跟隨火車(chē)前進(jìn)，呈拋物線(xiàn)掉到路基上。

這說(shuō)明在不同運(yùn)動(dòng)的參考系，觀(guān)察同一事物，會(huì)得出兩種不同結(jié)論，而且運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和走過(guò)的路程也是不一樣的，這就解釋了時(shí)間在不同參考系的不同時(shí)性質(zhì)。由此，在不斷動(dòng)態(tài)變化著的宇宙，洛倫茲變換才是解釋事物發(fā)展過(guò)程更準(zhǔn)確的理論。

洛倫茲變換是狹義相對(duì)論重要理論依據(jù)

洛倫茲變換推導(dǎo)過(guò)程如下圖：

簡(jiǎn)單的說(shuō)，洛倫茲變換就是1+1≠2，而是必須加上一個(gè)洛倫茲因子，表述為γ=1/√[1-（u/c）^2]，這個(gè)因子加上了，就限制了速度，光速就成為了極限速度，不能疊加了。洛倫茲變換與伽利略變換的不同之處在于，低速系統(tǒng)兩者都適用，但洛倫茲變換更精確，高速系統(tǒng)（尤其是接近光速）時(shí)，只有洛倫茲變換適用。

這樣就解決了一個(gè)大問(wèn)題，愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論問(wèn)世后，許多用經(jīng)典力學(xué)解釋不通或者錯(cuò)誤很大的現(xiàn)象都得到了糾正，由此更精準(zhǔn)地描述了世界運(yùn)動(dòng)，讓物理學(xué)發(fā)展得到了解放，從此進(jìn)入一個(gè)新的階段。因此愛(ài)因斯坦相對(duì)論被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。

那么，為什么愛(ài)因斯坦幾乎所有公式里都有個(gè)光速C呢？

愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了或者說(shuō)假定了光速極限和光速不變，這正是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論以及后來(lái)創(chuàng)立的廣義相對(duì)論的立論基礎(chǔ)，也是愛(ài)因斯坦偉大貢獻(xiàn)之一。而相對(duì)論本身就是論述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)速度，而最快速度是光速，因此凡是描述運(yùn)動(dòng)的公式，當(dāng)然就離不開(kāi)光速了。

所謂光速極限，就是光速是我們世界最高速度，沒(méi)有任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能夠超過(guò)這個(gè)速度；光速不變就是光速在任何參考系都是不變的，也不能疊加，疊加速度也不能超過(guò)光速。這個(gè)是愛(ài)因斯坦通過(guò)觀(guān)察思考，并總結(jié)前人觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的一個(gè)假設(shè)。

這個(gè)假設(shè)經(jīng)過(guò)一百多年無(wú)數(shù)科學(xué)家驗(yàn)證，所有的觀(guān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有一例能夠反證，因此成為現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)鐵律。

為什么光速極限和光速不變是我們世界的鐵律呢？我們也可以這么理解：人類(lèi)看到的世界都是依靠光，沒(méi)有光就什么也看不到。如果愛(ài)因斯坦的假設(shè)不成立，我們看到的世界就沒(méi)有確定性。因?yàn)槿绻嬖诔馑俚氖挛?，或者光速是?huì)變的，我們就無(wú)法看到真實(shí)的東西，所有的星空也都不確定了。

光速是現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)基本常數(shù)

經(jīng)過(guò)300多年科學(xué)家們的前赴后繼，采用各種方法經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)計(jì)算，最終通過(guò)波長(zhǎng)與頻率的現(xiàn)代方法，再通過(guò)世界度量衡大會(huì)修改了米的定義，得到準(zhǔn)確真空光速為c=299792458m/s，而1米就是光速在1秒鐘行進(jìn)距離的299792458分之一。

請(qǐng)注意，這個(gè)光速是真空光速，光在不同介質(zhì)中行進(jìn)速度是不一樣的，在空氣中略小于真空光速，但差距極微，因此一般也忽略不計(jì)；而在玻璃、冰、不同液體中行進(jìn)速度相差就比較大了。為了簡(jiǎn)便計(jì)算，一般將真空或空氣中光速采用30萬(wàn)千米/s。

真空光速是現(xiàn)代物理學(xué)中一個(gè)常量，在許多公式中都有運(yùn)用。

那么質(zhì)能方程中為啥也要用到光速呢？

這是因?yàn)槲镔|(zhì)動(dòng)能量是與速度成正比的，速度越大動(dòng)量越高，這一點(diǎn)在經(jīng)典力學(xué)也是一樣的，所謂動(dòng)量、沖量、動(dòng)能、勢(shì)能就是這個(gè)道理。但經(jīng)典力學(xué)建立在絕對(duì)時(shí)空觀(guān)上，沒(méi)有光速概念，那時(shí)認(rèn)為光速是無(wú)限的，因此動(dòng)量、沖量、動(dòng)能、勢(shì)能就沒(méi)有一個(gè)天花板，也就是頂。

這樣，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)推論，沒(méi)有光速限制，就永遠(yuǎn)也無(wú)法確定一個(gè)質(zhì)量最大動(dòng)量、沖量、動(dòng)能、勢(shì)能有多大，質(zhì)量就無(wú)法與能量對(duì)接，更無(wú)法等價(jià)互換，就永遠(yuǎn)無(wú)法得出質(zhì)能方程，

愛(ài)因斯坦正是發(fā)現(xiàn)了光速這個(gè)天花板，而且光速極限，就鎖定了所有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的天花板，這個(gè)天花板就是299792458m/s。有了這個(gè)天花板，就為質(zhì)量與能量等價(jià)交換創(chuàng)造了條件，這就是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)到達(dá)最快時(shí)的動(dòng)能，也就是物質(zhì)的最大能量。

由此，一個(gè)偉大的公式誕生了，這就是E=MC^2。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)揭示了物質(zhì)質(zhì)量蘊(yùn)含的巨大能量，也給宇宙形成演化過(guò)程以及人類(lèi)能源利用提供了理論依據(jù)。根據(jù)這個(gè)公式，1公斤物質(zhì)的能量全部釋放，就約等于9*10^16J（焦耳），相當(dāng)250億度電能。

但將物質(zhì)所有質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量是非常非常難的，目前人類(lèi)距離這個(gè)能力還相差很遠(yuǎn)，只有自然界的力量才有這種可能，目前認(rèn)為只有反物質(zhì)湮滅才能夠達(dá)到。

而現(xiàn)在人類(lèi)掌握的最大能量釋放是核聚變，其質(zhì)能轉(zhuǎn)換率只有約0.7%，也就是1公斤質(zhì)量（氫）通過(guò)核聚變，質(zhì)量虧損只有約7g（克），這7g質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化出6.3*10^14J的能量，相當(dāng)1.75億度電能，約合15萬(wàn)噸TNT炸藥爆炸威力。

即便是核聚變這種低水平的質(zhì)能轉(zhuǎn)化，目前人類(lèi)還只能以不可控方式實(shí)現(xiàn)，也就是氫彈爆炸能量瞬間釋放。而可控核聚變，是讓能量緩慢釋放，才能造福人類(lèi)社會(huì)，這個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度很大，至今還在實(shí)驗(yàn)攻關(guān)中，進(jìn)展緩慢。

在質(zhì)能方程里，任何物質(zhì)質(zhì)量都是等價(jià)的。

也就是說(shuō)，根據(jù)質(zhì)能方程，1kg棉花和1kg黃金或者1kg炸藥的質(zhì)能都是一樣的。

問(wèn)題是要將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，不是一般常識(shí)認(rèn)為只要“燒”就能燒出來(lái)，而是需要巨大的壓力和極高溫度，如在太陽(yáng)核心，將世界最簡(jiǎn)單最輕的物質(zhì)~氫轉(zhuǎn)化為氦，就需要3000億個(gè)大氣壓和1500萬(wàn)度的高溫，越重的原子核發(fā)生聚變反應(yīng)的溫度和壓力要求越高。

而核聚變得到的能量還只是原子核中虧損的很小一部分，不到1%。要從質(zhì)量中榨出更多的能量，除了反物質(zhì)可以達(dá)到100%，這其中還有99%的空白，在未來(lái)人類(lèi)科學(xué)發(fā)展中，需要去填補(bǔ)。努力吧，有誰(shuí)能夠讓質(zhì)量里的能量能夠轉(zhuǎn)化2%，他就是現(xiàn)代人類(lèi)中大神級(jí)的人物了，什么諾貝爾獎(jiǎng)完全不在話(huà)下。

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