用两种方法推导爱因斯坦的质能方程
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: 利用泰勒展开公式把右边项展开,得到: 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: 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: 上面的式子就是著名的爱因斯坦质能关系的公式。其中mc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: 把质量的相对论公式和动量p=mv相结合,我们可以得到: 事实上,这就是能量与动量关系式的变体: 对上面的公式进行微分,得到: 代入最开始的公式,并进行积分可以得到: 如果我们取初态u=0,则最初的动能也为零,质量为m,最后我们可以得到: 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< 质点的总能量E=mc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mc增加到mc,或者说使质点从质量m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: 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c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。 |
- 上一篇
狄拉克方程:量子相对论与反物质的预测
爱因斯坦和普朗克已经证明光既是粒子也是波。德布罗意也从理论上证明所有物质都具有这种双重波粒性质。玻尔、海森堡、玻恩、泡利和其他人拼凑出对亚原子粒子怪异性质的数学描述。薛定谔写下了他著名的方程——薛定谔方程。它描述了这些表示波函数的物质波如何随时间变化,并使物理学家能够预测量子系统的演化。薛定谔方程也有问题。薛定谔方程与爱因斯坦的相对论完全不相容。在相对论中,空间和时间的维度本质上是相互联系的。
- 下一篇
从爱因斯坦场方程推导出来的弗里德曼方程能告诉我们什么
左边第一项类似于膨胀的动能,但这种动能被左边第二项能量的引力效应所抵制,其中ρ是宇宙的物质密度。所以第二项代表了宇宙自身减速的能力,这两个类似能量的术语之间的平衡将告诉我们宇宙的命运,如果膨胀的动能和坍缩的势能完全平衡,那么宇宙将会停止膨胀并不会缩小。也就是说膨胀的动能大于势能,宇宙会永远膨胀还是会回缩?科学家认为宇宙最终的命运在于宇宙的密度ρ。