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質能方程是如何推導出來的?

質能方程的推導需要用到狹義相對論中的質速關係(從洛倫茲變換中得到):

質速關係表明,物體的慣性質量並非一個不變的常數,而是會隨著速度v的加快而變大。當速度v趨於光速c時,原本靜質量只有m0的物體,運動質量m會增大到無窮。這也是為什麼對於那些擁有靜質量的物體,光速是不可能達到的極限;而對於那些沒有靜質量的物體,光速就是它們的唯一所能運動的速度。

由於慣性質量會發生變化,所以需要對牛頓第二運動定律進行拓展:

結合上述兩式,可以計算出物體在速度為v時所具有的動能:

在上式中,mc^2表示物體在速度為v時所具有的能量,m0c^2表示物體在相對靜止時所具有的能量。於是,就能得到質能方程:E=mc^2。

從質能方程中可以看出,質量和能量在本質上是等價的。質量在某些情況下會轉變為能量,例如,核裂變、核聚變和湮滅反應。反過來,能量在某些情況下也會轉變為質量,例如,布萊特-惠勒過程、宇宙創生過程。

此外,需要注意的是,質能方程並非促使原子彈的誕生,而是人們製造出原子彈之後,利用該方程解釋了原子彈的機理。不過,愛因斯坦對於原子彈的誕生還是起到了作用,因為他當年與另一位物理學家西拉德(核鏈式反應的真正提出者)聯名寫信給羅斯福總統,這多少促成了後來的曼哈頓計劃。

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