作為CEO的張朝陽手推質能方程,把物理學推上了熱搜。今天,我們也用兩種方法來推導質能方程。
第一種方法首先,質量的相對論公式為:
利用泰勒展開公式把右邊項展開,得到:
事實上,當速度v較小時,右邊可以隻保留兩項,我們可以得到:
上式看起來是不是很熟悉,右邊第二項就是牛頓中的動能方程。為了解釋上邊式子的物理意義,愛因斯坦首先提出假設,物體的總能量等于質量與光速平方的乘積,即:
上面的式子就是著名的愛因斯坦質能關系的公式。其中m₀c²是物體的靜能,它是總能量的一部分,具有靜止質能的物體都具有靜能。
第二種方法我們還可以用第二種方法來理解愛因斯坦的質能方程。在狹義相對論中,動能定理仍然成立,但動能的形式有所不同。在力F的作用之下,它做的功等于動能的變化,所以我們有以下微分關系:
把質量的相對論公式和動量p=mv相結合,我們可以得到:
事實上,這就是能量與動量關系式的變體:
對上面的公式進行微分,得到:
代入最開始的公式,并進行積分可以得到:
如果我們取初态u=0,則最初的動能也為零,質量為m₀,最後我們可以得到:
把上式與第一種方法泰勒展開得到的式子相比,我們可以知道當v<<c時,物體的動能才會是1/2mv²。
應用質點的總能量E=mc²是愛因斯坦的一個重要假設。因為質點的總能量是動能與靜能之和,而動能是外界對質點所做的功,其結果是導緻質點從靜能m₀c²增加到mc²,或者說使質點從質量m₀增加到了質量m。這也就意味着,傳遞給質點的能量會引起質量質量的變化;反之,質點質量的變化将引起能量的變化。我們可以把這兩者之間的關系用下面公式表示:
在這一物理過程中,若質量有一點變化,則對應的能量變化将是質量變化的c²倍。因此,ΔE的值将是非常巨大的。我們經常把這一方程用在原子核的反應之中。在核聚變或核裂變中,靜質量減少(這被稱為質量虧損)會釋放出巨大的能量,核彈和核反應堆就是根據這一原理制成的。
雖然質能關系最初是愛因斯坦的一種假設,但它在實踐中已被證實,并為人類提供了一種利用能源的新方式。
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