爱因斯坦是近代最著名的科学家之一,其中最为人们所熟知的就是狭义和广义相对论了,其中狭义相对论将物体的运动与时间和空间进行了统一,在惯性参照系中将时空视为平直和各向同性的,并且以光速不变为基本前提之一。而广义相对论是在狭义相对论的基础上,将物体的运动拓展到非惯性参照系中,将引力和惯性力等效,确定了物体的运动遵循在引力场中沿着测地线运行的基本规律。

打开网易新闻 查看精彩图片

另外,我们还非常熟悉爱因斯坦提出的质能方程,即E=m*c^2,这是科学界第一次将物体的质量与所具有的能量进行了统一,并且将它们之间的关系进行了量化,那么这个公式是怎么来的呢?其实,这个公式也来自狭义相对论。基本狭义相对论关于物体在不同惯性参照系的运动特征,运用洛伦兹变换,可以推导出若干重要的推论,其中非常有名的就是尺缩效应、时间膨胀效应、质增效应等,它们分别表达的是,在物体运动所在的参照系内,由于物体的运动,对空间、时间和质量方面的影响程度。

打开网易新闻 查看精彩图片

这里重点说一下质增效应,通过洛伦兹变换,一个静止质量为m0的物体,当它的运动速度为v时,其运动质量m则会在m0的基础上发生相应变换,二者的换算关系为:m=m0/(1-v^2/c^2)^(1/2)。从该表达式可以看出,当物体的运动速度越快,则物体的运动质量就会越大,当速度达到光速时(有静止质量的物体运动速度不可能达到光速),则该物体的运动质量就会趋向于无穷大。

打开网易新闻 查看精彩图片

在此基础上,运用动量定理和动能定理,可以推导出:

dE=F*v*dt=v*dp=v*m0*dv//(1-v^2/c^2)^(3/2),在此基础上将该式进行积分,最终可以得出E=m*c^2-m0*c^2,该式的含义表达的是物体在不同的惯性参照系中,其所具有的能量与质量变化之间的关系。有很多人对质能方程都有所误解,认为一个物体拥有质量,按照质能方程,就能转化为相应的质量,其实这是不正确的,质能方程所表达的是物体的质量和能量之间的对应关系,而不是转化关系,这一点很重要。

打开网易新闻 查看精彩图片

不过,在爱因斯坦提出狭义相对论时,当时的科学界还并未发现原子核内部的准确结构,确切地说都还没有发现中子的存在,直到狭义相对论提出后10多年,才由查德威克通过α粒子轰击方法首次探测到原子核中的中子。到1938年的时候,德国化学家哈恩和斯特拉斯曼应用中子轰击铀原子,从而首次发现了重元素的核裂变反应,并在此过程中发现有大量能量的释放。不过,当时的科学家在重复做该实验时,发现了一个非常重要的现象,那就是铀原子在核裂变时,反应前后的总质量是不一样的,在排除所有的误差之后,依然是生成物质的总质量小于参与反应物质的总质量。

打开网易新闻 查看精彩图片

科学家们对此现象绞尽脑汁,甚至有的科学家还严重怀疑质量守恒和能量守恒定律的正确性,不过有科学家认为,在反应的过程中肯定发生着某种现象,使其带走了一部分的质量,在这种猜测的基础上,人们想到了上述爱因斯坦提出的质能方程,应用“亏损的质量以能量形式释放出去”这样的结论,从而合理地同时解释通了大量能量的释放以及质量亏损这两个问题。在爱因斯坦质能方程的指导下,科学家们又进一步深入研究了重核裂变的产生机理,从而原子核内部的秘密好像一下子被打开了,推动了现代核物理学的飞速发展,原子弹不久之后也应运研制成功。

打开网易新闻 查看精彩图片

回过头来,我们再来看一下核变过程的质量亏损问题,以质子与中子核聚变成氘为例,按照质能守恒定律,反应前后的总能量对应关系为(m质+m中)*c^2=m氘*c2+hv*c^2,继而我们可以得出m质+m中=m氘+hv,其中h为释放能量载体-光线的频率,v为运动速度,从中我们可以看出,核变过程中所变化的质量,全部转化为光子的运动质量了,整体反应系统中的质能总量并没有发生改变。

打开网易新闻 查看精彩图片

综上,爱因斯坦在提出质能方程时,并不知道原子核中蕴含有巨大的能量,那是后来人们在对原子核微观结构进行深入研究时,才发现的现象,而这种现象可以用质能方程来解释,从而通过实验的方式印证了质能方程的正确性。