第31 章 新的质能方程式

    质能方程即描述质量与能量之间的当量关系的方程。

    在经典物理学中，质量和能量是两个完全不同的概念。

    质量和能量之间没有确定的当量关系。

    一定质量的物体可以具有不同的能量。

    能量概念也比较局限，力学中有动能、势能等。

    在狭义相对论中，能量概念有了推广。

    质量和能量有确定的当量关系，物体的质量为m，则相应的能量为 e=mc2 。

    质能方程e=mc2，e表示能量，m代表质量，而c则表示光速（常量，c=299792458m/s）。

    质能方程式由爱因斯坦提出。

    该方程主要用来解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量。

    这也导致了德布罗意波和波动力学的诞生。

    质能方程表述如下： 其中，e是能量，单位是焦耳（j）。

    m是质量，单位是千克（kg）。

    c是真空中光速(m/s) 。

    c=299792458m/s该公式表明物体相对于一个参照系静止时仍然有能量，这是违反牛顿系统的，因为在牛顿系统中，静止物体是没有能量的。

    这就是为什么物体的质量被称为静止质量。

    公式中的e可以看成是物体总能量。

    它与物体总质量（该质量包括静止质量和运动所带来的质量）成正比。

    只有当物体静止时，它才与物体的（静止）质量（牛顿系统中的&39;质量&39;）成正比。

    这也表明物体的总质量和静止质量不同。

    反过来讲，一束光子在真空中传播，其静止质量是0。

    但由于它们有运动能量，因此它们也有质量 。

    首先要认可狭义相对论的两个假设。

    1、任一光源所发之球状光在一切惯性参照系中的速度都各向同性总为c

    2、所有惯性参考系内的物理定律都是相同的

    如果你的行走速度是v，你在一辆以速度u行驶的公车上，那么当你与车同向走时，你对地面的速度为u+v，反向时为u-v，你在车上过了1分钟，别人在地上也过了1分钟——这就是我们脑袋里的常识。

    而上述结论也是物理学中著名的伽利略变换，整个经典力学的支柱。

    该理论认为空间是独立的，与在其中运动的各种物体无关。

    而时间是均匀流逝的，线性的，在任何观察者来看都是相同的。

    而以上这个变换恰恰与狭义相对论的假设相矛盾。

    事实上，在爱因斯坦提出狭义相对论之前，人们就观察到许多与常识不符的现象。

    物理学家洛伦兹为了修正将要倾倒的经典物理学大厦，提出了洛伦兹变换。

    但他并不能解释这种现象为何发生，只是根据当时的观察事实写出的经验公式——洛伦兹变换——而它却可以通过相对论的纯理论推导出来。

    然后根据这个公式又可以推导出质速关系，也就是时间会随速度增加而变慢，质量变大，长度减小。

    洛伦兹变换是狭义相对论中两个作相对匀速运动的惯性参考系之间的坐标变换。

    是观测者在不同惯性参考系之间对物理量进行测量时所进行的转换关系，在数学上表现为一套方程组。

    洛伦兹变换因其创立者——荷兰物理学家洛伦兹而得名。

    洛伦兹变换最初用来调和19世纪建立起来的经典电动力学同牛顿力学之间的矛盾，后来成为狭义相对论中的基本方程组。

    洛伦兹变换是狭义相对论中两个作相对匀速运动的惯性参考系(s和s′)之间的坐标变换。

    若s系的坐标轴为x、y和z，s′系的坐标轴为x′、y′和z′。

    为了简单，让x、y和z轴分别平行于x′、y′和z′轴，s′系相对于s系以不变速度v沿x轴的正方向运动。

    当t=t′ = 0 时，s系和s′系的原点互相重合。

    该惯性参考系会随着观测者视角的不同而变换自己的坐标。

    洛伦兹提出洛伦兹变换是基于以太存在的前提的。

    然而以太被证实是不存在的。

    根据光速不变原理，相对于任何惯性参考系，光速都具有相同的数值。

    爱因斯坦据此提出了狭义相对论。

    在狭义相对论中，空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，不同惯性参考系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的。

    这个等式源于爱因斯坦对于物体惯性和它自身能量关系的研究。

    研究的著名结论就是物体质量实际上就是它自身能量的量度。

    为了便于理解此关系的重要性，可以比较一下电磁力和引力。

    电磁学理论认为，能量包含于与力相关而与电荷无关的场（电场和磁场）中。

    在万有引力理论中，能量包含于物质本身。

    因此物质质量能够使时空扭曲，但其它三种基本相互作用（电磁相互作用，强相互作用，弱相互作用）的粒子却不能，这并不是偶然的。

    这个方程对于原子弹的发展是关键性的。这不仅显示可能通过轻核的核聚变和重核的核裂变释放这个结合能，也可用于估算会释放的结合能的量 。

    注意质子和中子的质量还在那里，它们也代表了一个能量值。

    重要的是要注意实际的静质量到能量的转换不大可能是百分之百有效的。

    一个理论上完美的转化是物质和反物质的湮灭；对于多数情况，有很多带静质量的副产品而不是能量，因而只有少量的静质量真正被转换。

    在该方程中，质量就是能量，但是为了简明起见，转换这个词常常被用于代替质能等价关系。

    实际上通常所指的一般是静质量和能量的转换。

    所以我们说并不是说狭义相对论完全错误，而只是广义相对论的适用范围大于狭义相对论而已。

    狭义相对论与经典力学并不矛盾，狭义相对论将经典力学扩展到了宏观物体在一切运动速度下的普遍情况，经典力学只是相对论在低速时（v远小于c）的近似情况。一般在处理运动速度不太高的物体时（如天体力学中计算行星的运行轨道），不需考虑到相对论效应，因为用相对论进行处理时计算往往变得非常繁琐，而结果与经典情况相差不大。当处理高速运动的物体时，比如高能加速器中的电子，则必须要考虑相对论效应对结果带来的修正。

    但是我们明显忽略了自然界中存在比光速更快的超距作用。

    “我们需要引入一个正相关新变量！”赵寒梅对尚志明说。

    他们说的正相关变量即意念值。

    表示为i2（1-w1/w）。

    其中w1为人为意志，w为自然规律。

    尚志明和赵寒梅提出的新的质能方程式为e=mc2(1-w1/w）i2。