基本介紹
- 中文名：質能公式
- 外文名：The mass energy formula
- 提出人：阿爾伯特•愛因斯坦
- 公式：E=MC^2
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基本情況
相關介紹
我們都知道，愛因斯坦的質能公式E=MC2的推導過程所用的數學手段是如此的複雜，以致我們一般人根本看不懂。但是，我們都有這樣的經歷，做一道數學題，往往有很多種方法，並且有一些還是十分簡單，通常是事半功倍。同樣道理，我們可不可以走捷徑，弄出個E=MC2來呢？
事實上是有那么一種“不正統”的方法。咱們不妨來看一下：
實驗
想像一下，一個小球掉到鏡面會對鏡面施加一個壓力，同樣道理，一個光子打到鏡面上會不會也有一個壓力呢？在19世紀末，物理光學就清楚應該是有的，並把這種壓力叫做光壓。但是，光壓的強度是如此的小，它根本不會把鏡子推倒，所以，我們在日常生活中也就很難感覺到它的存在了。然而，太陽發出的光是那么的強，我們可以看到，它足以推動彗星的氣體，使彗星在靠近太陽時產生一條長長的、耀眼的彗尾，這就是光壓的作用。
技術推法
第一步：要討論能量隨質量變化，先要從量綱得知思路：能量量綱
，即能量量綱等於質量量綱和長度量綱的平方以及時間量綱的負二次方三者乘積。我們需要把能量對於質量的函式形式化簡到最簡，那么就要求能量函式中除了質量，最好只有一個其它的變數。把[L]2、[T]-2化簡，可以得到只有一個量綱-速度[
]的形式：[ ]·[ ]。也就是
可見我們要討論質能關係，最簡單的途徑是從速度 下手。
第二步：先要考慮能量的變化 與能量的變化有關的有各種能量形式的轉化，其中直接和質量有關的只有做功。那么先來考慮做工對於能量變化的影響。當外力
作用在靜止質量為m0質點上時，每產生
（位移
的微分）的位移，物體能量增加
。考慮最簡化的 外力與位移方向相同的情況，上式變成 dE=Fds
第四步：上式中顯然還要參考m質量這個變數，而我們不想讓質量的加入把我們力和速度的關係複雜化。我們想找到一種辦法約掉m，這樣就能得到純粹的速度和力的關係。參考dE=Fds和
，我們知道，
那么可以得到
如果考慮最簡單的形式：當速度改變和動量改變方向相同：dE=vdP
第五步：把上式化成能量和質量以及速度三者的關係式（因為我們最初就是要討論這個形式）：dE=vd(mv)----因為dP=d(mv)
第六步：把上式按照微分乘法分解 dE=v2dm+mvdv 這個式子說明：能量的增量含有質量因速度增加而增加dm產生的能量增量和單純速度增加產生的能量增量2個部分。（這個觀點非常重要，在相對論之前，人們雖然在理論物理推導中認識到質量增加也會產生能量增量，但是都習慣性認為質量不會隨運動速度增加而變化，也就是誤以為dm恆定為0，這是經典物理學的最大錯誤之一。）
第七步：我們不知道質量隨速度增加產生的增量dm是怎樣的，現在要研究它到底如何隨速度增加（也就是質量增量dm和速度增量dv之間的直接關係）：根據洛侖茲變換推導出的靜止質量和運動質量公式：m=m0[1-(v2/c2）]-1/2 化簡成整數次冪形式：m2=m02[1-(v2/c2）] 化成沒有分母而且m和m0分別處於等號兩側的形式（這樣就是得到運動質量m對於速度變化和靜止質量的純粹的函式形式）：m（c2-v2）=m02·c2 用上式對速度v求導得到dm/dv（之所以要這樣做，就是要找到質量增量dm和速度增量dv之間最直接的關係，我們這一步的根本目的就是這個）：d[m2（c2-v2）]/dv=d(m02·c2)/dv（注意式子等號右邊是常數的求導，結果為0) 即 [d(m2)/dv](c2-v2）+m2[d(c2-v2）/dv]=0 即 [m(dm/dv)+m(dm/dv)](c2-v2）+(m2）[0-2v]=0 即 2m(dm/dv)(c2-v2）-2vm2=0 約掉公因式2m（肯定不是0，呵呵，運動質量為0？沒聽說過） 得到：（dm/dv)(c2-V2）-mv=0 即 (dm/dv)(c2-V2）=mv 由於dv不等於0（我們研究的就是非靜止的情況，運動系速度對於靜止系的增量當然不為0） (c2-v2）dm=mvdv 這就是我們最終得到的dm和dv的直接關係。
第八步：有了dm的函式，代回到我們第六步的能量增量式 dE=v2dm+mvdv =v2dm+(c2-v2）dm =c2dm 這就是質能關係式的微分形式，它說明：質量的增量與能量的增量成正比，而且比例係數是常數c2。
最後一步：推論出物體從靜止到運動速度為v的過程中，總的能量增量：對上一步的結論進行積分，積分區間取質量從靜止質量m0到運動質量m，得到 ∫dE=∫[m0~m]c2dm 即 E=mc2-m0c2 這就是 物體從靜止到運動速度為v的過程中，總的能量增量。其中 E0=m0c2稱為物體靜止時候的靜止能量。Ev=mc2稱為物體運動時候的總動能（運動總能量）。對於任何已知運動質量為m的物體，可以用E=mc2直接計算出它的運動動能
相關公式
好。現在假設單位時間t內的光子“撞”到鏡面上，並且反彈了回來，這個過程中產生的光壓為P。我們取光子“撞”向鏡面的方向為正方向。根據我們學過的那個動量定理（力乘以時間等於動量的變化那個），對光子來說，於是有
負號對消
我們上面說了t是單位時間，也就是t=1，所以
約去2，兩邊乘以c
看到了沒有，這種“不正統”的方法看來還有點管用！
其他
順便說一下，上面用的m指的是光子的質量。光子有質量？是的，我們說的是光子的引力質量，光有引力質量，而沒有慣性質量，這是相對論中的知識。正因為光沒有慣性質量，所以才能以光速運動，在廣義相對論中，光子具有引力質量。
好了，看來“不正統”的東西有時比“正統”的更容易明白。
是否違背定律
質能方程並不違反質量守恆定律，質量守恆定律是指在任何與周圍隔絕的體系中，不論發生何種變化或過程，其總質量始終保持不變。或者說，化學變化只能改變物質的組成，但不能創造物質，也不能消滅物質，所以該定律又稱物質不滅定律。而質能方程是表述了質量和能量之間關係，所以不違背質量守恆定律。
質能方程的英文讀法 E equals M C squared. E is equal to M C squared. 也可以用解釋的方法念 Energy is equal to mass multiplied by the square of the speed of light.
