如何理解E=mc2
部分1:理解方程式
1、定義方程式的變量。要理解一個方程式,首先要知道每個變量的含義。在本例中,E是一個物體靜止時的能量,c是光在真空中的速度。光速c在所有參考系中都是一個常數,大約等於每秒3.00x10米。在愛因斯坦的相對論中,c更多的是用作一個單位轉換系數,而不是常數。因此,它的平方是量綱分析的結果——能量是採用焦耳或kg m s來計量,所以增加c可確保能量和質量之間的關係在量綱上是一致。
2、理解能量的含義。能量有很多形式,包括熱能、電能、化學能、核能等。 能量是通過從一個系統獲取力量,並作用到另外一個系統,來實現在不同系統之間的轉移。能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能轉換形式。例如,煤含有大量的能量,可以在燃燒時轉換成熱能。
3、定義質量的含義。通常質量是定義為一個物體的物質的量。質量還有其它一些定義。有“不變質量”和“相對論質量”。不變質量是無論處在什麼參考系中都不會變化的質量。而相對論質量卻取決於物體的速度。在方程式E=mc中,m指的是不變質量。這是非常重要的,因為這意味着在加速的過程中,質量不會增大,這和我們通常的觀點是不同的。
理解質量和重量的差別是非常重要的。重量是一個物體感受到的重力,而質量是該物體中物質的量。只有在物體發生物理變化時它的質量才會改變,而重量會隨着物體所處重力環境而改變。質量是用千克(kg)計量,而重量是用牛頓(N)計量。
和能量一樣,質量既不能憑空產生,也不會憑空消失。例如,冰塊可以融化成液體,但是兩種形態的質量相同。
4、知道質量和能量是相等的。 此方程式表明質量和能量是同一種東西,並且告訴我們在特定數量的質量中含有多少能量。實際上,此方程式説明了很小的質量中含有很大的能量。
部分2:將方程式應用到現實世界中
1、理解可用能量從哪裏來。我們大多數可消耗的能量來自於煤和天然氣的燃燒。這些物質的燃燒是利用了它們的價電子(原子最外層的不成對電子),以及它們與其它元素產生的鍵。在加熱時,這些鍵斷開並釋放能量,為我們的社會提供動力。以這種方式獲得能量不是特別高效,並且對環境的影響比較大。
2、利用愛因斯坦方程式使能量轉換更加高效。E=mc告訴我們原子的原子核中儲存的能量要比它的價電子多很多。 分裂原子釋放的能量要比斷開電子鍵釋放的能量大得多。核能就是以這個原理為基礎。核反應堆促使產生裂變,並捕獲其中釋放的巨大能量。
3、利用E=mc使得這些技術的發現成為可能。E=mc已經幫助創造了很多令人興奮的新技術,如果沒有其中一些技術,我們的生活將難以想象:PET掃描可以利用放射現象檢查人的身體內部。
此方程式幫助實現了人造衞星和探測車的通信開發。
基於此方程式的碳同位素年齡測定利用放射性衰變判定古物的年齡。
核能為我們的社會提供了更清潔和更高效的能源。