从什么时候起,我们开始厌恶数学?这些东西原本如此美丽,如此精妙。这个地球上有多少伟大的智慧曾耗尽一生,才最终写下一个等号。每当你解不开数学问题的时候,不妨换一个角度想,暂且放下对理科的厌恶和对考试的痛恨。因为你正在见证的,是科学的美丽与人类的尊严。

英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了"最伟大的公式",最终榜上有名的十个公式既有无人不知的1 1=2,又有著名的E=mc2;既有简单的圆周公式,又有复杂的欧拉公式……

在一次明星访谈中,有人问卡梅隆·迪亚兹(美国女演员),在这个世界上,她还有什么最要想知道的事,她竟然回答说:"很想知道E=mc2的真正含义是什么。"这个回答令在场人先是惊愕,随之哄堂大笑起来。在众人的笑声中,她又补充了一句:"我这是认真的。"谁也没想到,这位世界超级名模和当红的好莱坞明星大腕,竟会有这样的梦想!

迪亚兹所说的E=mc2,就是爱因斯坦著名的质能公式。这个公式在物理学界乃至在科技领域产生了强烈的反响,世界上有多位著名物理学家的研究与这个公式息息相关。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(1)

01质能公式提出,同时也拓展人们对新思想的追求

1905 年,年仅26岁的爱因斯坦在德国《物理年鉴》上一连发表了6篇论文,它们都具有划时代的分量,但在这一时期,他得不到物理教授的职位,甚至连个普通的物理教师都不是,而只是一所专利局的小职员。在1905 年11 月21 日发表的题为"物体的质量可以度量其所含的能量吗?"的论文中,他提出了质能公式E=mc² (能量E = 质量m ╳ 光速c的平方),不仅给出了理论上的证明,还提出了检验这一公式的建议。

质能公式揭示了一个惊天的秘密,即使物体静止,它依然具有能量,而这份能量就蕴含在物质之中。由于c²是光在真空中传播速度的平方值,这个数值非常的巨大,蕴含在物质内部的能量一旦开发出来,将大得不可限量!

爱因斯坦的质能公式深化了人们对能量的认识,能量不仅表现在物质的运动状态上,不仅存在于物质的形态和化学结构里,还存在于无形的场中,也隐藏在物质的质量之中,也就是质量与能量等效。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(2)

质能公式揭示出了一个惊天的秘密,即使物体静止,它依然具有能量,而这份能量就蕴含在物质之中。由于c2是光在真空中传播速度的平方值,这个数值非常的巨大,蕴含在物质内部的能量一旦开发出来,将大得不可限量!这个惊人的预言本应引起轰动,然而在论文发表的初期,却遭到一些人的反对,就连当时的一些著名物理学家也对这位年轻人给出的公式表示怀疑。

在一般情况下,例如在普通的化学反应中,反应前后总质量的变化不大,质量与能量的转化并不明显。例如,在氢和氧结合生成水的反应中,每生成大约1千克水,会释放出大量的能量,但质量的亏损却只有1.5×10-10千克,并不引人注意。然而在核反应中,当大约有十分之几克的质量转化为能量释放出来,情况就大不相同了。最有效的质能转化是在正负物质的湮灭中,那时全部质量将转化为能量。对这一情况,爱因斯坦也有预言,他建议在放射性物质的衰变中,去寻找质量转化能量的证据。

科技领域获得成功的同时,质能公式也引领了社会的文化生活。人们对新思想的追求远远地跨越了科学界,质能公式已经成为全世界人们知晓最广泛的公式。它不仅频繁地出现在众多的学术书籍和学刊中,也常出现在杂志封面上、橱窗里、广告牌上、路边的装饰上、T恤衫上、咖啡杯上,甚至刻印在10分钱的硬币上,印刷在邮票上。这个公式成为人们挑战旧思想的口号与追求时尚的标志。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(3)

02 质能方程的认可及印证

质能方程的印证涉及三位著名的物理学家,她们恰好是三位杰出的女科学家——玛丽·居里、丽斯·梅特纳与塞希亚·佩恩。

1938年,梅特纳为躲避纳粹的迫害在瑞典避难。在这年的圣诞节期间,她与侄子奥托·哈恩提出了核裂变的思想。他们认为,原子核也会像"液滴"那样分裂,在分裂中释放出能量来。但是当时面临一个令人困惑的问题,原子核克服巨大的表面张力分裂开来的所释放的能量该有多大。因为经他们计算,只一个铀原子核的分裂,所涉及的能量就将达到200兆电子伏!这么大的能量从何而来?这时,梅特纳突然想到了爱因斯坦的质能公式。她立刻着手计算了铀核分裂前后的质量,从反应前铀核的质量与分裂后两个碎片的质量之和的差值,再利用质能公式,果然找到了这200兆电子伏能量的来由。就这样,他们草拟出了一个铀核的裂变理论提纲,把相应裂变能量做出了计算,以论文发表了出来。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(4)

03 质能关系公式的副产品--原子弹,同时把人类对能量的认识推向了一个更高的阶段。

在原子核链式裂变反应发明之后,人们更加意识到了质能公式的重要性,最终制造成功了原子弹。1945年8月6日上午8时15分,美军B-29轰炸机在日本广岛上空投下一颗名为"小男孩"的原子弹。大约在1秒半的时间内,裂变反应把铀核能释放了出来。核能的释放非常暴烈,一股热浪把空气加速,形成比龙卷风快数万倍的气浪,一个白色的火球带动着巨大的蘑菇云,席卷着尘土、碎石腾空而起,爆炸中心的人在极度的高温下瞬间融化,他们的身躯被"拍"在了墙上,后人称广岛为"影子地狱"。造成这种恐怖景象的,就是美军研制成的三颗原子弹之一的"小男孩"。"小男孩"是"枪式"弹,长3米,重约4吨,直径0.7米,TNT当量为1.5万吨,内装60千克高浓铀。广岛市24.5万人中有20万人死伤,城市建筑物在巨大冲击波作用下全部倒塌和燃烧,一枚原子弹毁掉了一座城市。两天后,1945年8月9日上午11时零2分,美军又用B-29轰炸机将第二枚原子弹"胖子"投在长崎市中心。两颗原子弹结束了第二次世界大战,在如此惨烈的事件中,质能公式E=mc2也被证实了。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(5)

质能公式不仅在地球上得到印证,在对太阳等恒星的认识中,也显现出了它的作用。首先把质能公式从地球扩展到太空的人是英国女科学家塞希亚·佩恩。即使学过物理的人知道佩恩的也不多。像玛利亚·居里、丽斯·梅特纳一样,佩恩也是一位对物理做出重要贡献、在艰难之路上长时间坚持的女物理学家。

1919年,在佩恩19岁的时候,获得了奖学金来到剑桥大学攻读物理学和化学。就在这一年,佩恩被爱丁顿考察广义相对论引力效应的壮举所吸引,她决定改修天文学。然而,在当时天文学归属为数学的一个分支,只有物理背景的佩恩的申请被校方拒绝。无奈之下,她只得敲开爱丁顿办公室的门,陈述她的希望,爱丁顿收留了她。当时卢瑟福正在天文系任教,他对教室里出现一个女生不知所措。一些男同学趁此嬉笑她,也常粗声啸叫着起哄,企图把她驱赶出教室,佩恩并没有因此放弃这个专业。但在当时的英国,即使完成了全部学业,学业成绩优秀且已经成为英国皇家学会会员的佩恩,也不可能拿到天文学的学位。一次偶然的机会,她与美国天文学家哈罗·沙普利见了面,在沙普利的鼓励之下,1923年,她毅然转学到了哈佛。23岁的佩恩就这样离开了家乡,成为在哈佛天文台学习的第二个学生。1925年,她首次证明了太阳主要由氢元素组成,但在那时,这个结论不被人所接受。沙普利鼓励佩恩以此内容写出一篇博士论文,论文的题目是"恒星的大气与恒星高温反变层组成的观察研究"。当年,佩恩获得了哈佛的博士学位。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(6)

为了继续完善这篇论文,佩恩把大量时间集中在太阳的光谱分析上。当时只有分光镜等简单的仪器,这是个单调、乏味而耗时的工作。她独自在天文台做观测和计算,从中有了新的发现。在那时,人们普遍认为,就像地心聚集大量的铁那样,天体也含有大量的铁,太阳的热就来自太阳内部铁的燃烧,但佩恩却发现情况并非如此。经对谱线研究得知,太阳的内部含有大约90%的氢。她的这个想法引起了周围人的议论,也招致著名天文学家亨利·罗素的反对,为此导师拒绝接受这篇论文。在当时,罗素具有绝对的声望,反对罗素,将意味着孤立无援,没有出路。而且如果佩恩是对的,对太阳燃烧的解释就将彻底改变。

在左右为难的困惑与压力之下,她引用了爱因斯坦的质能方程,以此为根据,对太阳发射能量仔细进行了理论计算,其结果更清楚地解释了太阳持续高热发光的原因。然而,这个解释显然不可能被权威接受。为了使论文得以发表,佩恩只得做出妥协,在不得已的情况下,她在论文最后加上一行小字:"以上这些(关于氢)结论还不能完全断定是真实的。"正因为专家的反对、同行的不予理睬,佩恩的工作长期被人们所忽视。

直到1938年,汉斯·贝特再次利用爱因斯坦的质能方程解释太阳内部的核聚变反应,人们才最终认识到太阳的能量来源,不只谜团被揭开,佩恩的正确性也得到印证。最终,佩恩的成果在她提出的十多年之后,才被人们接受。

爱因斯坦的质能公式深化了人们对能量的认识,能量不仅表现在物质的运动状态上,也不仅存在在物质的形态和化学结构里,还存在在无形的场中,更隐藏在物质的质量之中,也就是质量与能量等效。质能关系把人类对能量的认识推向了一个更高的阶段。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(7)

华盛顿特区的爱因斯坦塑像,他手上拿着的是质能方程的手稿

然而,首先提出质能公式的爱因斯坦,却在得知广岛和长崎原子弹爆炸之后感到自责,他认为,由于自己在质能关系方面的工作,应当对死去的20万日本人负责,他说:"早知道这样,我应当去当个钟表匠。"

可以说,质能公式不仅改变了人们对质量、能量的看法,促进了核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学领域的发展,更揭示了天体的奥秘,引导了核能的开发,以致原子弹的产生,影响了整个世界。

能量转化效应公式(一个牛逼的公式)(8)

爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家,或许,在这样一位科学巨匠面前,诺贝尔奖已经变得微不足道,又或者说爱因斯坦的相对论远超前于同时代的其他科学家,除了他,没有人能如此接近广义相对论,爱因斯坦的相对论研究几乎划开了一个时代,广义相对论更是给世人呈现出一个全新的时空观。

人与人在质量上的差别是很小的,也就是说,质量基本是个常数,因此人发出的能量、成功就取决于速度、效率。爱因斯坦这个质能公式,可以用到我们的生活中来,即成功等于能力乘以效率的平方。要想成功,必须倍增效率。启示我们,谁能够在短时间内做到别人不能做到的事,谁就能在成功的道路上捷足先登。

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