爱因斯坦在1934年为旁观者提供了狭义相对论
它可能是所有等式中最著名的一个，它出现在了我们每个人的课本之中。
如果你听说过阿尔伯特·爱因斯坦，那么你可能至少知道他自己推导出的一个著名的方程：E=MC²。这个简单的方程式详细说明了系统的能量(E)，其静止质量(M)，以及与两者相关的基本常数，即光速平方(c²)之间的关系。尽管这个等式是你可以写下来的最简单的等式之一，但它的含义是戏剧性的和深刻的。
在基本层面上，一个物体的质量和它内部储存的固有能量是等价的。质量只是许多能量的一种形式，例如电能、热能或化学能，因此能量可以从这些形式中的任何一种转化为质量，反之亦然。爱因斯坦方程式的深刻含义在日常生活中以许多方式影响着我们。这里有五个教训，每个人都应该学习。
这颗铁镍陨石由“机遇号”探测并拍摄，是在火星表面发现的第一颗这样的天体。如果你把这个物体切成单个的、组成它的质子、中子和电子，你会发现整体的质量实际上比它各部分的质量之和要小。
1.质量不守恒。当你想到变化的东西与在这个世界上保持不变的东西时，质量是我们通常保持不变的量之一，而不会过多地考虑它。如果你拿一块铁并将其切成一堆铁原子，你完全可以预期整体等于其各部分的总和。这是一个明显正确的假设，但前提是质量是守恒的。
然而在现实世界中，根据爱因斯坦的理论，质量是不守恒的。如果你拿一个包含26个质子、30个中子和26个电子的铁原子，把它放在一个天平上，你会发现一些令人不安的事实。
- 含有所有电子的铁原子比铁核略重，其电子分开，
- 铁原子核的重量明显小于26个质子和30个中子的重量。
- 如果你试着把一个铁原子核熔合成一个更重的原子核，它需要你输入的能量比输出的能量要多。
铁56可能是结合最紧密的原子核，每个核子的结合能最大。但是，为了达到这个目标，您必须逐个元素地构建。氘是自由质子的第一步，它的结合能极低，因此很容易被相对较小能量的碰撞破坏。
这些事实中的每一个都是正确的，因为质量只是能量的另一种形式。当你创造的东西比制造它的原材料能量更稳定时，创造的过程必须释放出足够的能量来保存系统中的总能量。
没有能量，而这些能量一定来自某个地方:混合成分的质量。这对于核跃迁比原子跃迁更为严重，前者的能量通常是后者的1000倍左右。
事实上,利用E = mc²的后果就是我们如何获得第二个宝贵的结论。
人们对爱因斯坦的广义相对论进行了无数的科学检验，使其受到人类迄今为止所获得的一些最严格的约束。爱因斯坦的第一个解是一个单一质量附近的弱场极限，比如太阳;他把这些结果成功地应用到我们的太阳系中。我们可以把这个轨道看作是地球(或任何行星)围绕太阳自由落体运动，在它自己的参照系中沿着直线运动。所有的质量和所有的能量来源都构成时空的曲率。
2.能量是守恒的，但只有当你考虑到变化的质量时。想象一下地球绕太阳运行的轨道。我们的行星快速运行：平均速度约为30 km / s，这是将它保持在一个稳定的椭圆轨道所需的速度，平均距离太阳150,000,000公里（9300万英里）。如果你把地球和太阳单独放置，你会发现它们比现在的地球 - 太阳系统更重。
当你有任何将两个物体结合在一起的作用力 - 无论是在围绕原子核轨道运行电子的作用力，将质子和中子保持在一起的作用力，还是将行星固定在恒星上的作用力- 整体都是比单个部分大。将这些物体粘合在一起越紧密，结合过程发出的能量就越多，最终产品的静止质量就越低。
无论是在原子、分子还是离子中，电子从高能量能级到低能能级的跃迁都会导致特定波长的辐射发射。这就产生了我们所看到的发射线现象，这也是我们在烟花表演中看到的各种颜色的原因。即使像这样的原子跃迁也必须保存能量，这意味着质量的损失与产生光子的能量的比例是正确的。
当你把一个自由电子从很远的地方带进来与一个原子核结合时，就像是从太阳系的外围带进来一个自由下落的彗星来与太阳结合：除非它失去能量，否则它会进来，靠近，然后再次弹射出来。
然而，如果系统有其他方式释放能量，物质就会变得更紧密。电子确实会与原子核结合，但只有当它们在这个过程中发射光子时才会与原子核结合。彗星可以进入稳定的周期轨道，但前提是另一颗行星窃取了它们的部分动能。质子和中子可以大量结合在一起，产生更轻的原子核，并在这个过程中释放出高能光子(和其他粒子)。最后一种情况可能是所有教训中最有价值和最令人惊讶的。
由25张太阳照片合成，显示365天内太阳爆发/活动。如果没有适量的核聚变(量子力学使核聚变成为可能)，我们所认识的地球上的任何生命都不可能存在。在其历史上,大约有0.03%的太阳的质量,或者土星的质量,通过E = mc²转化为能量。
3.爱因斯坦的E =mc²是造成太阳（恒星）闪耀的原因所在。在太阳的核心内部，温度上升超过4,000,000 K的临界温度（高达近4倍），核反应为我们的恒星提供动力。质子在极端条件下融合在一起，它们可以形成氘核 - 质子和中子的束缚态 - 同时发射正电子和中微子以节约能量。
然后，额外的质子和氘核可以轰击新形成的粒子，在链式反应中融合这些核，直到产生具有两个质子和两个中子的氦-4。这个过程在所有主序恒星中自然发生，是太阳从中获取能量的地方。
质子 - 质子链负责产生太阳能的绝大部分能量。将两个He-3原子核融合到He-4中可能是地球核聚变的最大希望，也是一个清洁，丰富，可控的能源，但所有这些反应都必须在太阳中发生。
如果你把这个氦-4的最终产品放在一个刻度上并将它与用来制造它的四个质子进行比较，你会发现它减轻了约0.7％：氦-4只有99.3％的四个质子的质量。尽管这些质子中的两个已转换成中子，但结合能非常强，在形成每个氦-4核的过程中会释放出约28 MeV的能量。
为了产生我们看到它产生的能量，太阳需要每秒将4×10 3质子点融合成氦-4。这种融合的结果是每秒产生5.96亿吨氦-4，而400万吨质量通过E =mc²转化为纯能量。在整个太阳的整个生命周期中，由于其核心的核反应，它大约损失了土星的质量。
核动力火箭发动机，准备在1967年进行测试。这种火箭由质量/能量转换提供动力，并以等式E =mc²为基础。
4.将质量转换为能量是宇宙中最节能的过程。什么比100％效率更好？绝对没有; 100％是您在反应中所希望的最大能量收益。
好吧，如果你看一下等式E =mc²，它告诉你你可以将质量转换成纯能量，并告诉你你将获得多少能量。对于你转换的每1千克质量，你会获得高达9×10 15焦耳的能量：相当于21兆吨的TNT。每当我们经历放射性衰变，裂变或聚变反应，或物质与反物质之间的湮灭事件时，反应物的质量大于产物的质量; 差异在于释放多少能量。
在Enewetak环礁进行核武器试验Mike(当量10.4 Mt)。测试是常春藤行动的一部分。迈克是第一颗氢弹。释放这么多能量相当于大约500克的物质被转化为纯能量:对于这么小的质量来说，这是一个惊人的大爆炸。
在所有的情况下，产生的能量——以所有的组合形式——恰好等于生成物和反应物之间质量损失的能量。最后一个例子是物质-反物质湮灭，一个粒子和它的反粒子相遇并产生两个光子，其剩余能量恰好是两个粒子的剩余能量。
取一个电子和一个正电子，让它们湮灭，你总会得到两个光子，恰好是511kev的能量。这不是巧合,电子和正电子的静止质量是每511 keV / c²:相同的值,就占的质量转化为能量的因素c²。爱因斯坦最著名的方程式告诉我们，任何粒子——反粒子湮灭都有可能成为最终的能量来源:一种将燃料的全部质量转化为纯净、有用能量的方法。
顶夸克是标准模型中已知的最大质量粒子，也是所有已知粒子中寿命最短的粒子，平均寿命为5×10^-25秒。当我们在粒子加速器中通过e=mc 2产生足够的自由能时，我们产生顶夸克。但它们的寿命不足以形成束缚态。它们只以自由夸克的形式存在，然后衰变。
5.你可以利用能量来创造物质 - 巨大的粒子 - 除了纯粹的能量之外什么都没有。这也许是最重要的经验。如果你拿了两个台球并将其撞到另一个台球上，你总会期望结果有一些共同之处：而事实往往相同。
但是，对于粒子来说，故事是不同的。如果你拿两个电子并将它们粉碎在一起，你会得到两个电子，但是如果有足够的能量，你也可能会得到一个新物质 - 反物质对。换句话说，你将创造出两个先前不存在的新的大质量粒子：物质粒子（电子，μ子，质子等）和反物质粒子（正电子，反μ子，反质子等）。
当两个粒子以足够高的能量碰撞时，它们就有机会产生额外的粒子-反粒子对，或者量子物理定律所允许的新粒子。爱因斯坦的E =mc²就是这样不分青红皂白的。在早期宇宙中，大量的中微子和反中微子以这种方式在宇宙的第一分之一秒内产生，但它们既不会衰变，也不会有效地湮灭。
这就是粒子加速器如何成功地创建他们正在寻找的新粒子：通过提供足够的能量来创建这些粒子，通过爱因斯坦的方程式。只要有足够的自由能，就可以制造质量为m的任何粒子。
从纯能量产生物质/反物质对(左)是一个完全可逆的反应(右)，物质/反物质湮灭回到纯能量。当一个光子被创造和毁灭时，它同时经历这些事件，而不能经历任何其他的事情。
爱因斯坦的E = mc²是基础物理的简单规则的胜利。质量不是一个基本的量，但能量是，质量只是能量的一种可能形式。从核能到粒子加速器，再到原子，再到太阳系，所有的一切都以质量为基础。只要物理定律是它们本身，就不可能有其他的方式。正如爱因斯坦自己所说:
从狭义相对论出发，质量和能量都是同一事物的不同表现形式 - 对于普通人来说，这是一种有点陌生的概念。
爱因斯坦去世60多年后，距离他把他著名的方程式带回到现实中已经是很久以前的事了。自然法则不仅适用于物理学家;它们是地球上每一个好奇的人都可以体验、欣赏和享受的。
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