作为CEO的张朝阳手推质能方程,把物理学推上了热搜。今天,我们也用两种方法来推导质能方程。

第一种方法

首先,质量的相对论公式为:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(1)

利用泰勒展开公式把右边项展开,得到:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(2)

事实上,当速度v较小时,右边可以只保留两项,我们可以得到:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(3)

上式看起来是不是很熟悉,右边第二项就是牛顿中的动能方程。为了解释上边式子的物理意义,爱因斯坦首先提出假设,物体的总能量等于质量与光速平方的乘积,即:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(4)

上面的式子就是著名的爱因斯坦质能关系的公式。其中m₀c²是物体的静能,它是总能量的一部分,具有静止质能的物体都具有静能。

第二种方法

我们还可以用第二种方法来理解爱因斯坦的质能方程。在狭义相对论中,动能定理仍然成立,但动能的形式有所不同。在力F的作用之下,它做的功等于动能的变化,所以我们有以下微分关系:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(5)

把质量的相对论公式和动量p=mv相结合,我们可以得到:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(6)

事实上,这就是能量与动量关系式的变体:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(7)

对上面的公式进行微分,得到:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(8)

代入最开始的公式,并进行积分可以得到:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(9)

如果我们取初态u=0,则最初的动能也为零,质量为m₀,最后我们可以得到:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(10)

把上式与第一种方法泰勒展开得到的式子相比,我们可以知道当v<<c时,物体的动能才会是1/2mv²。

应用

质点的总能量E=mc²是爱因斯坦的一个重要假设。因为质点的总能量是动能与静能之和,而动能是外界对质点所做的功,其结果是导致质点从静能m₀c²增加到mc²,或者说使质点从质量m₀增加到了质量m。这也就意味着,传递给质点的能量会引起质量质量的变化;反之,质点质量的变化将引起能量的变化。我们可以把这两者之间的关系用下面公式表示:

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(11)

在这一物理过程中,若质量有一点变化,则对应的能量变化将是质量变化的c²倍。因此,ΔE的值将是非常巨大的。我们经常把这一方程用在原子核的反应之中。在核聚变或核裂变中,静质量减少(这被称为质量亏损)会释放出巨大的能量,核弹和核反应堆就是根据这一原理制成的。

虽然质能关系最初是爱因斯坦的一种假设,但它在实践中已被证实,并为人类提供了一种利用能源的新方式。

爱因斯坦质能方程推导方法(用两种方法推导爱因斯坦的质能方程)(12)

,