爱因斯坦300年 大科学家 E=mC2 经典！

邓文龙

科学网  李泳  博文

爱因斯坦300年  

2016-3-14 00:49 |个人分类:随想|系统分类:人物纪事



这个等式有点儿牵强，但不妨作为引力场方程的“别解”：pi是时空几何与物质共同决定的自然常数，那么老爱的生日也是自然决定的了。

2005年，Andrew Robinson编了一本《相对论100年》（Einstein, a hundred years ofrelativity），当年也出了精装的中译本。去岁暮，广义相对论100年，此书再版，中译本也重新包装了。前些天收到新书，正赶上LIGO发现100年前预言的引力波——于是，这本书可以说是老爱的三个百年的纪念。





本书不是传记，也不像那本“奇迹年”（Einstein's Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics）重温那五篇奇文。Freeman Dyson在前言里概括了它的内容：“书中收录的每篇文章均由专家撰写，主要讨论了爱因斯坦关于时间与空间、偶然与必然、宗教与哲学、婚姻与政治、战争与和平、名与利、生与死的看法。”Dyson写前言有点儿怪怪的，常规说来，他至少“应该”回顾一下普林斯顿的爱老头儿。他1948-49年间在那儿学习，1953年后一直是研究院的教授，在那儿生活了50多年。不过他似乎确实没什么可回忆的。我想起Smolin Lee说过，他曾向Dyson打听老爱的故事，D说不知道，他那会儿总是故意躲着老爱——某天他拜访老爱不遇，读了秘书找来的一些统一场论的草稿，觉得都是垃圾，于是再不想见老爱了。D后来觉得应该听听老人家怎么说，可已经太晚了。D的前言只写了一个问题：老爱不相信黑洞。“他怎么可能对他自己理论的一项如此伟大的胜利视而不见呢？我无法给出答案。它仍然是这位天才一生中的一个难解的悖论。”老爱曾对一个朋友说，“为了惩罚我对权威的蔑视，命运把我变成了一个权威。”（To punish me for my contempt of authority, Fate has made me an authority myself.）老D的前言好在一开头就把老爱从权威的椅子上拉了下来，开篇就说“爱因斯坦的一生充满了矛盾”，他的生活、工作和个性，都具有这样那样的矛盾。我想，我们在老爱的“正确”方向指引下已经走得很远了，新的方向是不是该从他的矛盾和错误中去探求了呢。





小爱因斯坦兄妹

在我看来，老爱的矛盾之一在于他的概念的革命与方法的传统。如果写老爱的小传，我们会发现他的业绩都是概念的革命，他的思想是欧几里得-伽利略-牛顿-麦克斯韦思想树的延伸，而其他科学家大概只是那大树上的枝桠、叶片或花朵。相比之下，在具体的方法上，如数学工具和方程求解等技术方面，老爱几乎没有什么贡献，甚至显得力不从心——他的工具承载不了他的思想，矛盾也就产生了。这可以找到很多例子，跑题不说了。





老爱因为矛盾而有趣，矛盾无解，兴趣无穷。本书也许可以作为重新认识爱因斯坦的一扇小窗户。老爱不怕后人说三道四。他认为应该允许后人批评他的信件（即使有隐私的）。他从不要求他的女朋友们隐藏或销毁他的信，也不在乎人们对他私生活的评价。他现在留下了12500封亲笔信和16500封别人的来信，这么多的材料足够后代再写300年了。



爱因斯坦建议罗斯福总统研制原子弹的信

详细和图片：

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现代化研

大科学家 爱因斯坦!

E=mC2

经典！



E=mc2

如果我们在大学中展开一个调查，问他们20世纪最伟大的物理方程是什么，我猜想绝大多数人都会写出爱因斯坦方程E=mc2。它简单优美到了让人难以忘怀的地步，以至于我多年以来一直建议通过观察患者对这个方程的反应来诊断老年痴呆。在这短短的一章中，读者将会看到这个方程对人类社会的重大影响。事实上，爱因斯坦方程的提出点燃了毁灭人类的可能性，因此，我不得不猜想这个方程原来是装在潘多拉的盒子里。除了战争和能源，读者还可以看到E=mc2已经走到了我们的生活里面，在音乐、绘画乃至商业世界展现了它的力量。遗憾的是，这一章没有花足够的笔墨谈到爱因斯坦是在何种情况下想到这个方程把质量、能量和光速联系起来——或许这是一个永远的谜！

电子科技大学计算机学院 周涛
2008-12-19 20:28



解释E=mc2

一、质能方程的三种表达形式

表达形式1：E0=m0c2

上式中的m0为物体的静止质量，m0c2为物体的静止能量.中学物理教材中所讲的质能方程含义与此表达式相同，通常简写为

E=mc2.

表达形式2：E=mc2

随运动速度增大而增大的量.mc2为物体运动时的能量，即物体的静止能量和动能之和.

表达形式3：ΔE=Δmc2

上式中的Δm通常为物体静止质量的变化，即质量亏损.ΔE为物体静止能量的变化.实际上这种表达形式是表达形式1的微分形式.这种表达形式最常用，也是学生最容易产生误解的表达形式.

二、物体的静止能量

物体的静止能量是它的总内能，包括分子运动的动能、分子间相互作用的势能、使原子与原子结合在一起的化学能、原子内使原子核和电子结合在一起的电磁能，以及原子核内质子、中子的结合能…….物体静止能量的揭示是相对论最重要的推论之一，它指出，静止粒子内部仍然存在着运动.一定质量的粒子具有一定的内部运动能量，反过来，带有一定内部运动能量的粒子就表现出有一定的惯性质量.在基本粒子转化过程中，有可能把粒子内部蕴藏着的全部静止能量释放出来，变为可以利用的动能.例如，当π0介子衰变为两个光子时，由于光子的静止质量为零而没有静止能量，所以，π0介子内部蕴藏着的全部静止能量

三、质量和能量的联系

在经典力学中，质量和能量之间是相互独立、没有关系的，但在相对论力学中，能量和质量只不过是物体力学性质的两个不同方面而已.这样，在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了.爱因斯坦指出：“如果有一物体以辐射形式放出能量ΔE，那么它的质量就要减少ΔE/c2.至于物体所失去的能量是否恰好变成辐射能，在这里显然是无关紧要的，于是我们被引到了这样一个更加普遍的结论上来.物体的质量是它所含能量的量度.”他还指出：“这个结果有着特殊的理论重要性，因为在这个结果中，物体系的惯性质量和能量以同一种东西的姿态出现……，我们无论如何也不可能明确地区分体系的‘真实’质量和‘表现’质量.把任何惯性质量理解为能量的一种储藏，看来要自然得多.”这样，原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性.

质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加.

四、质量亏损与质量守恒

当一组粒子构成复合物体时，由于各粒子之间有相互作用能以及有相对运动的动能，因而，当物体整体静止时，它的总能量一般不等于所有粒子的静止能量之和，即E0≠∑mioc2，其中mi0为第i个粒子的静止质量.两者之差称为物体的结合能：ΔE=∑mioc2-E0.与此对应，物体的静止质量M0=E0/c2亦不等于组成它的各粒子的静止质量之和，两者之差称为质量亏损：Δm=∑mio-M0.质量亏损与结合能之间有关系：ΔE=Δmc2.

由于在中学物理教材中，对此式的解释较浅，因此，有些学生就误认为，核反应过程中，质量不再守恒，且少掉的质量转化为能量了.

我们知道，质量的转换与守恒是物体系统运动过程中的最基本规律.通常情况下，质量守恒是在低速条件下的静止质量守恒，在高速情况下，静止质量与运动质量相互转化，总质量仍然守恒.如在电子光子簇现象中，当一个高能电子或光子进入原子序数较高的物质中，在很短距离内就可以产生许多电子和光子.在这个级联过程中，粒子的静止质量与运动质量相互转化.但在级联前后，总质量保持守恒.又如光的辐射过程是辐射系统的内能转变为辐射能的过程，辐射系统质量的相应减少，不过表示它的一部分质量转化为光子的质量而已.