如何理解E=mc2

共同创作者是 Grace Imson, MA

爱因斯坦在1905年发表的一篇革命性科学论文中提出了方程式E=mc²；其中E代表能量，m代表质量，c是光在真空中的速度。^{[1]
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研究来源} 从那以后，E=mc²成为了世界上最著名的方程式。即使没有物理学背景的人也至少听说过这个方程式，并且知道它对我们所生活的这个世界产生的巨大影响。但是，很多人并没有真正理解这个方程式的含义。简单来说，这个方程式表示的是能量与质量的关系：实际上，能量和质量只不过是同一种东西的两种不同形式。 ^{[2]
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研究来源} 这个相对简单的方程式改变了我们对能量的思考方式，帮助我们实现了大量的技术进步。

部分 1

部分 1 的 2:

理解方程式

1
定义方程式的变量。要理解一个方程式，首先要知道每个变量的含义。在本例中，E是一个物体静止时的能量，c是光在真空中的速度。
- 光速c在所有参考系中都是一个常数，大约等于每秒3.00x10⁸米。在爱因斯坦的相对论中，c²更多的是用作一个单位转换系数，而不是常数。因此，它的平方是量纲分析的结果——能量是采用焦耳或kg m² s^-2来计量，所以增加c²可确保能量和质量之间的关系在量纲上是一致。
2
理解能量的含义。能量有很多形式，包括热能、电能、化学能、核能等。^{[3]
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研究来源} 能量是通过从一个系统获取力量，并作用到另外一个系统，来实现在不同系统之间的转移。
- 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能转换形式。例如，煤含有大量的能量，可以在燃烧时转换成热能。
3
定义质量的含义。通常质量是定义为一个物体的物质的量。^{[4]
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研究来源}
- 质量还有其它一些定义。有“不变质量”和“相对论质量”。不变质量是无论处在什么参考系中都不会变化的质量。而相对论质量却取决于物体的速度。在方程式E=mc²中，m指的是不变质量。这是非常重要的，因为这意味着在加速的过程中，质量不会增大，这和我们通常的观点是不同的。
- 理解质量和重量的差别是非常重要的。重量是一个物体感受到的重力，而质量是该物体中物质的量。只有在物体发生物理变化时它的质量才会改变，而重量会随着物体所处重力环境而改变。质量是用千克（kg）计量，而重量是用牛顿（N）计量。
- 和能量一样，质量既不能凭空产生，也不会凭空消失。例如，冰块可以融化成液体，但是两种形态的质量相同。
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研究来源} 此方程式表明质量和能量是同一种东西，并且告诉我们在特定数量的质量中含有多少能量。实际上，此方程式说明了很小的质量中含有很大的能量。^{[6]
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研究来源}

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部分 2

部分 2 的 2:

将方程式应用到现实世界中

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理解可用能量从哪里来。我们大多数可消耗的能量来自于煤和天然气的燃烧。这些物质的燃烧是利用了它们的价电子（原子最外层的不成对电子），以及它们与其它元素产生的键。在加热时，这些键断开并释放能量，为我们的社会提供动力。
- 以这种方式获得能量不是特别高效，并且对环境的影响比较大。
2
利用爱因斯坦方程式使能量转换更加高效。E=mc²告诉我们原子的原子核中储存的能量要比它的价电子多很多。^{[7]
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研究来源} 分裂原子释放的能量要比断开电子键释放的能量大得多。
- 核能就是以这个原理为基础。核反应堆促使产生裂变，并捕获其中释放的巨大能量。
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利用E=mc²使得这些技术的发现成为可能。E=mc²已经帮助创造了很多令人兴奋的新技术，如果没有其中一些技术，我们的生活将难以想象：^{[8]
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研究来源}
- PET扫描可以利用放射现象检查人的身体内部。
- 此方程式帮助实现了人造卫星和探测车的通信开发。
- 基于此方程式的碳同位素年龄测定利用放射性衰变判定古物的年龄。
- 核能为我们的社会提供了更清洁和更高效的能源。
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