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爱因斯坦对相对论简单解释(爱因斯坦的相对论讲的是什么)

导语:深入浅出解析爱因斯坦相对论(五)——相对论的惊人发现与核时代

提到原子弹,很多人就想到了二次大战末的美国向日本广岛投掷原子弹事件,至今那里仍收到辐射的影响,可见核武器的威力!

三大守恒定律

1.能量守恒定律

2.动量守恒定律

3.质量守恒定律

相对论发现一个惊人的秘密,能量和质量可以相互转换!

那么究竟是什么意思呢?假设两个完全一样的小球,每个小球的静止质量为m,现在让这两个小球以同样速度v相对碰撞,经过碰撞后两球结合在一起,那么结合后的“两小球”质量是多少?看到这里肯定很多人回答肯定是2m嘛,因为生活常识或感觉,质量守恒定律咯。但是相对论中却否认,物体有静止质量和运动质量,其运动质量的公式为: m/(√(1-v²/c²)),可以看出运动速度越大,其质量越大。两个小球合并在一起,其质量等于 2m/(√(1-v²/c²))!

两个静止质量为m的小球,运动碰撞合成后静止质量却大于2m!这是一个很惊人的发现!那么可能会有人想到,那多余出来的质量是从哪里来的,不是说质量守恒定律么?首先我们看上面给出的公式,物体运动速度越大,其运动质量越大,换句话说,物体运动速度越大产生的动能越大,而碰撞后静止,并且没有释放出能量,那么多余的能量转化为质量保存在物体本身。能量和质量是等价的,能量守恒和质量守恒是一样的,所以守恒定律并没有被破坏。

“ 震动 ”世界的 E = mc²

(E代表能量,m为静止质量,c为光速)

质量和能量之间的转换,二者之间存在的联系: E = mc²,这公式看着简洁优美,是爱因斯坦在相对论中严格的推导出来,也称为爱因斯坦质能方程。根据质能公式,光速的平方是多么庞大的数字,哪怕是再小的微粒都蕴含着非常强大的能量。

可能很多人质疑,质量和能量的联系很好理解,公式中的c²是什么,那和“光速”有什么关系?这个问题曾让无数物理学家头痛!甚至认为这个方程是错误的,但经科学验证结果却很准确,究竟什么原因呢。

我们先来看光的平方是什么,

c² = 1 /(ε₀×μ₀),即转化为m = ε₀×μ₀E

ε₀为真空电容率,μ₀为真空磁导率。两者皆为常数,质量是基于ε₀×μ₀存在多少的能量形成的,是由于空间形成的能量场。这样就好理解了质能方程的正确性了。

而相对论中对于运动物体的质能公式为:E=mc² = m₀c²/(√(1-v²/c²)),其中m为运动质量,m₀为静止质量,v为运动速度。当物体静止状态,即速度v = 0,则E₀ = m₀c²,E₀为物体静止能量或固有能量。(E的单位为焦耳J,m的单位为kg)

有上面公公式可计算出来,任意1kg的物体的固有能量大约为9×10¹⁶J的能量,相当于3×10⁶ t 的煤燃烧释放能量!三百万吨的煤,不可思议的数字!

讲到这里是不是已经慢慢接近了核能爆发了,哪怕质量体积小到原子,所蕴含的能量都是相当惊人。

核时代的开启

根据上面所说的质量和能量的转化,物体质量减少而转化能量释放出去。先来看一下微观世界,大部分物质是由分子组成,我们看下较简单的水分子结构“H₂O”,是由两个氢原子和一个氧原子构成,而原子又由原子核、质子、中子以及核外电子组成。

在二十世纪二十年代,科学家们就经常用氦原子核(α粒子)进行轰击各种原子来研究核物理,但由于α粒子带正电导致试验非常难以成功,最后发现了中子,中子不带电荷就避免了电磁的干扰大大的提高了试验的碰撞几率。接下来让中子按照元素周期表的顺序进行轰击原子。

如果原子核被中子击中,就会发生裂变成更轻的原子核,造成质量的损失,而损失的质量将会释放强大的能量,也就是人们常说的“核裂变”,于是成为原子弹威力惊人的基础。由于重原子核(简单理解质量较大的原子核)会被中子击裂成两个轻原子核,这个过程会释放出多余的中子,而释放出来的中子再击裂下一个重原子核,这样链式反应下来,将会释放“一系列”的巨大能量!

(用手机比较难画,重原子核分裂成两个轻原子核没画)

上图的链式反应过程中会让质量转化为巨大能量释放,化学炸弹释放出来的能量大约是△m(减少质量)的十亿分之一,而核裂释放的能量大约为△m的千分之一,由于智能方程E = mc²,可见核反应要比普通炸弹威力强千万倍!这就是原子弹的原理。标志着核时代的开始。

科普知识

有核裂变就会有核聚变,核聚变相比核裂变的难度较高,因为要克服原子核库伦斥力就需要极高的温度(一千万摄氏度以上),大家想过没有,太阳上面没有氧气那是怎么燃烧起来的,是因为太阳内部发生热核聚变,没4个氢原子核聚变成一个氦原子核,这个过程每秒会造成大约430万吨质量的亏损!这就是太阳释放能量的来源。

伴随着科学的进步,人类的欲望变得更加强烈,也可以说是人是因为欲望的强烈使科学大幅度的进步,研究科学造福百姓,防止自然灾害本身没有错,质能方程发现得很好,只是被人的利益驱使让世界走进了核时代,用于正当防卫而不能主攻型是可以理解,毕竟我们只是向往和平健康的科学生活,反感核武器而已。

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