2019-05-07 16:26:40 佚名

萬綠叢中一瓢蟲

答：質能方程是愛因斯坦在1905年提出來的，那時候人類還不不知道核聚變與核裂變，也不知道原子核中蘊藏著巨大能量。

在質能方程發現以前，科學家對太陽能量來源一直存疑，化學能是我們常用到的能源，以燃值最高的氫氣來說：

2H2+O2=2H2O，ΔH=-286KJ/mol；

假如太陽所有物質，都是氫氣和氧氣按照方程比例混合，那麼以目前太陽的發光強度，太陽的所有燃料只夠維持2.5萬年的時間，這是遠遠不夠的。

後來人類發現了原子的聚變與裂變現象，並伴隨著質量虧損，如果以相對論質能方程來看，將釋放巨大能量；以氕核聚變為氦-4來看，如果太陽最初全是氕核，那麼太陽質量的氕核，足夠太陽燃燒300億年的時間。

核聚變是澳洲科學家馬克·歐力峰，在1932年發現的；核裂變是德國科學家奧托哈恩在1938年發現的，此後人類打開了原子能的大門。

愛因斯坦是通過他的狹義相對論，推導出質能方程，在愛因斯坦最初的論文中，質能方程描述為：

m=E/c^2；

雖然和現在的E=mc^2形式，只是一個變換的關係，但是意義上有微小區別，質能方程描述了質量和能量是統一的。在原子核中蘊藏著巨大能量，實際上在原子核與核外電子之間，也蘊藏著能量。

一個質子與電子結合為氫原子，質子和電子由於庫侖力相互吸引，在兩者相距無窮遠時，總勢能為零，隨著質子和電子相互靠近，勢能減小為負值，電子動能增大。

當質子完全捕獲自由電子後，自由電子成為核外電子，並釋放光子，此時整個氫原子的質量會略有減小；也就是說一個氫原子的質量，是小於質子和自由電子質量之和的，而損失的質量，被激發光子帶走了，這就是質能方程的意義之一。

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愛因斯坦的偉大就是因為他有很多重要的發現，啟迪了人類的認知，其中就包括質能方程：E=mc^2。

這個偉大的方程是愛因斯坦在1905年提出來的，其偉大意義在於讓人類認識了質量和能源之間的密切關係，而且是通過光速這個能量因子來實現質能等價交換。

在此之前，人類只知道物質不滅、質量守恆，愛因斯坦這個方程是從質量守恆推導至能量守恆，是人類認識的一大進步。

大家不要以為愛因斯坦是坐在那裡異想天開就得到了這個方程，而且這個方程這麼簡單。其實愛因斯坦聰明的腦袋裡裝著巨大的理論構架，通過複雜的推導方式，才得出這個最終的精華結論。這個複雜的推導過程要寫一本書，要列出無數的公式，所以就不搬運了。

愛因斯坦質能方程使人類洞悉了物質和能量之間的奧妙，也就是說任何物質只要全部釋放其能量，就能得到巨大驚天的能量。

根據愛因斯坦質能方程，可以計算出每一千克的質量可以轉化為9×10^16焦耳的能量，相當於2100萬噸的TNT爆炸所釋放出的能量。

愛因斯坦質能轉換規律具有宇宙普適性，也就是說不管在哪裡，不管什麼物質，你只要有辦法逼出其全部的能量，就能得到上述的能量釋放。

愛因斯坦質能方程給製造原子彈的顆行星提供了理論依據，原子彈的發明則是愛因斯坦質能方程理論驗證。而原子彈在這個理論出臺後40年才發明出來。

其實原子彈屬於核裂變，在重物質核裂變中，會發生質量虧損，這些虧損的質量就轉化成了能量。核裂變質量虧損0.13%，也就是說參與核裂變1000克質量只有1.3克質量轉化成了能量；而核聚變質量虧損為0.7%，氫彈是核聚變，因此能量轉化率核裂變的5倍多，1000克參與核聚變的質量有7克質量轉化成為能量。

眾所周知，這個能量爆發是迄今為止人類所看到最恐怖的爆發。

別看這0.13%和0.7%的質能轉換率，相比人類幾千年對能源的使用可是一個跨越式的進步。

要知道人類燃燒煤所得到的質能轉換率才僅僅為0.0000028%，也就是說1000克參與燃燒的煤質量只有0.000028克的質量轉化為能量。

現在人類掌握的核聚變還只能做氫彈，是一種一次性爆發的不可控能源。要使這種巨大能量持續不斷釋放，成為可控核聚變，以造福人類，還有一個較長的過程。同時人類還在尋找新的更高效率的能源，

迄今發現能夠實現完美質能轉換的能源就是反物質。

反物質與正物質碰到一起就會發生湮滅，與此同時會爆發出全部能量。

也即是說1克反物質與1克正物質相撞會產生2克質量的全部能量，一點殘留都沒有。這個能量有多大呢？就是180000000000000J，相當於約43000噸TNT黃色炸藥的能量，約3顆多廣島原子彈的爆炸威力。

反物質的質能轉換率是核聚變的約300倍。

但是，人類世界到處都是充滿著正物質，雖然也會產生反物質，但非常微量，且很難保存。因為所有的反物質一遇到正物質就會湮滅，這些反物質只能約束在極低溫度的磁力陷阱裡。全世界科學家們經過很多年的努力，花費了無數財力和能源，在大型粒子加速器裡製造出了一些反物質，都是原子級極其微量的，全世界所有反物質加起來也燒不開一杯開水。

所以人類要開發更高質能轉換效率的能源路程還很漫長。

這些科學研究都是在愛因斯坦質能轉換的理論框架下進行的，迄今為止沒有一例能夠突破這個框架的反證例子，由此可以證明愛因斯坦的理論非常完美。

愛因斯坦的理論只是讓人類進一步瞭解了這個世界物質的內在規律，使人類對世界的認識有一個重大突破。

在所有的具體科學研究和發明發現中，還需要很多其他的科學理論來支撐，還有很多在基礎科學理論上的技術發現和發明，才能夠使人類文明不斷推向前進。

因此人類的發展是基礎科學和實用技術的結合中前行的，愛因斯坦的理論只是人類前行道路一個階段的重要基石。

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這個問題有一定的誤導，核能的是科學家不斷用粒子轟擊原子並結合愛因斯坦方程式發現的，這也是為什麼近代先進國家喜歡造粒子對撞機的原因之一，我們來看一下核裂變的發現過程。

1919年，英國劍橋大學卡文迪什實驗室主任盧瑟福用α粒子轟擊乾燥的氮氣，擊中氮原子核，使氮轉化為氧，並釋放出一個質子，證明了原子核內部有質子，並猜想‘中子’的存在。

1932年，盧瑟福的學生查德威克用α粒子轟擊鈹，再用鈹產生的射線轟擊氫、氮，結果打出了氫核和氮核，證實了‘中子’的存在。

中子發現後，由於中子不帶電荷，很容易接近原子核並被吸收，科學家便開始用中子作為“炮彈”來轟擊各種元素的原子核。

1938年，哈恩和斯特拉斯曼進行了中子撞擊鈾的實驗，首次實現了中子誘發的鈾裂變。

梅特納用數學方法假設鈾裂變的產物就是由鈾原子核的分裂而產生的。但當她把產物元素的原子量相加起來時，發現並不等於鈾的原子量，而是小於鈾的原子量。

說明在核反應過程中，發生了質量虧損。梅特納認為，這個質量虧損的數值正相當於反應所放出的能。根據愛因斯坦的質能關係式，E=mc^2，她推算出了每個鈾原子核裂變時會放出的能量。

她的侄子弗瑞士設計實驗來證實這種設想，他也用中子“炮彈”轟擊鈾，當中子擊中鈾核時，觀察到異常巨大的能量幾乎把測量儀表的指針逼到刻度盤以外。弗瑞士與梅特納於1939年2月在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果，核裂變現象被發現。

而後科學家又發現中子轟擊鈾不僅產生能量，還產生中子，這就為鏈式核裂變提供有利的條件，這也是製造原子彈的基礎。

由以上脈絡的梳理可知，愛因斯坦開始並不知核能這種現象，只是為核裂變現象提供了理論證明依據。

崑崙還東國

1905年，是愛因斯坦科研生涯的巔峰時期之一，那年發表的論文中有一個推導過程非常複雜的方程，這個方程本身並不複雜：E=MC²，這個方程將質量和能量聯繫了起來。
1934年，約里奧居里夫婦用阿爾法粒子轟擊鋁板時，第一次發現放出了中子，得到了人工放射性同位素。從此科學家就用阿爾法粒子對元素週期表中的元素開始了輪流轟擊，從一種元素氫開始。

圖釋：約里奧居里夫婦

1938年，德國物理學家哈恩和斯特拉斯曼用中子轟擊鈾235時，發現了與之前實驗完全不同的現象，轟擊後鈾就像發生了連鎖反應，又會出現新的中子使更多的鈾原子被轟擊並且放出了能量。當時哈恩不確定發生的這種現象，於是寫信給了他的一位猶太女同事邁特納（邁特納當時已被希特勒驅逐到了希臘），邁特納想來想去認為實驗結果是對的，給這種現象取了一個名字叫——核裂變。圖釋：原子彈之母，奧地利核物理學家：莉澤·邁特納
同年，哈恩將發現中子轟擊鈾裂變的現象發表在《自然》科學上時，恰好美國那時在舉辦理論為例研討會，當時美國的大物理學費米（其實原本是意大利科學家）波爾（非那個乒乓球運動員）等人馬上組織實驗驗證了這一理論，得到了相同的結果。
那時有的科學家意識到這種反應放出巨大能量的威力，在德國軍隊中任職的物理學家舒曼將此時彙報了希特勒，德國已經著手開始了研究這種新型武器的計劃。

圖釋：奧本海默

以上就是從愛因斯坦發表質能方程到著手研究原子彈的全過程，最終美國在奧本海默的帶領下最先研製出原子彈，奧本海默因此也被稱為美國原子能之父。

核先生科普

簡而言之，愛因斯坦提出的偉大方程式E=mc^2，也就是著名的質能方程式，對於原子彈的製造沒有直接的指導作用，只是核裂變理論假設被提出來之後，質能方程式是可以用到解釋這一現象上面來。

要了解這一問題，首先還得知道質能方程式是怎麼來的，質能方程式和愛因斯坦的狹義相對論緊密相連，事實上愛因斯坦在提出狹義相對論之前，就意識到了很多與常識不符合的地方，在物理學家洛倫茲提出了洛倫茲變換的前提下，愛因斯坦進一步提出了兩個假設:一、任意一個光源在一切慣性參考系中的速度都是各向同性而且速度都為c；二、所有慣性參考系中的物理定律都是相同的。

隨後愛因斯坦在洛倫茲變換的以及兩個基本假設的前提下推導出了狹義相對論的公式，而根據狹義相對論的公式，愛因斯坦進一步推導出來了質能方程式。所以可見的是，質能方程式完全是純理論推導出來的結果，在原子彈被髮明之前，愛因斯坦也不知道他的這個公式竟然蘊藏著這麼大的秘密，並且這個公式日後還成為了製造原子彈的理論依據。不知道你有沒有聽說過一個故事，那就是愛因斯坦在聽說美國在日本的廣島和長崎投下了原子彈造成了幾十萬人傷亡之後，內心悲痛萬分，還說自己的理論給人類帶來了災難。

重核裂變首先是由德國科學家哈恩以及斯特拉斯曼共同發現的，20世紀30年代以後，隨著電子、中子、重氫的相繼發現，使得放射性化學上升到了一個新的高度。1938年，當哈恩他們用慢中子轟擊鈾核的時候，竟然出現了出乎意料的情況，那就是反應不僅強烈、釋放出了很大的能量，而且鈾核還分裂成為了一些原子序數小很多的原子，哈恩想:“難道這就是核裂變？”

在當時，人們並不知道中子可以打開原子核，不知道中子在打開原子核的過程中，不僅不需要中子的速度很快，而且打開原子核，不需要非常大的能量，更不知道的是打開之後的原子核，居然會釋放出巨大的能量。那麼為什麼打開重核原子核之後會釋放出如此大的能量呢？一開始很多的科學家還持懷疑態度，但是後來他們才發現，原來重核原子核在裂變的過程中，前後物質的質量總和是不一樣的，生成物質的總質量總是小於反應物質的總質量。

這個時候，科學家想到了愛因斯坦的質能方程式，因為似乎只有這個公式才可以解釋為什麼重核原子在裂變的過程中會釋放巨大的能量，原因就在於裂變的過程中發生了質量虧損，而虧損的質量，則按照質能方程式的理論，以能量的形式釋放了出去。可以說，如果沒有質能方程式在關鍵時刻給了科學家理論指導，科學家根本就不會知道釋放的巨大能量是從何而來的，而知道了這個能量是由重核裂變質量虧損帶來的之後，科學家彷彿一夜之間就打開了原子核內部的秘密，原子彈也就隨之誕生了。

在愛因斯坦提出質能方程式的時候，他是不知道原子核是可以被打開的，而且他推導這個方程式的目的，其實是為了形象說明物體在運動速度不同的時候，物體的質量也有所不同，隨之物體所具有的能量也就不同，物體在絕對靜止的時候質量為m，那麼它所具有的能量就是mc^2，如果某刻物體的質量因為速度接近光速的原因達到了m'的話，那麼它所具有的能量就是m'c^2，而原子彈的指導依據，是ΔE=Δmc^2。一個是為了描述物體具有的能量，一個是描述的是物體的質量轉化為能量的過程，兩者是有不同之處的。

鏡像宇宙

原子彈沒發明出來之前，愛因斯坦是如何知道原子核裡面有著巨大神秘的力量的？

看上去確實有點像一個因果關係的話題，但事實上質能方程和原子核裡有巨大的能量並不是各位想像的那種關係，而是愛因斯坦在洛倫茲變換以及兩個基本假設：光速不變和慣性參考系中的物理定律都是相同的前提下推導出了狹義相對論的公式，闡述了質量與能量之間的關係！

狹義相對論是愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》一文中提出的，當時距離1939年9月份著名的科學家玻爾和惠勒二人從理論上闡述了核裂變反應過程還有整整34年時間！那麼早在1905年的愛因斯坦狹義相對論中濃縮的精華質能方程 E=mc^2是如何得來的呢？

上圖為質能方程的推導過程，前面都是速度與質量以及能量之間的關係（Ek=Fds，熟悉不？動能定理而已），過程並不複雜，但涉及積分可能很多朋友就看得雲裡霧裡，或者直接跳到最後部分即可：

箇中真正的含義是能量等於物體運動中的能量減去靜止時的能量，但這個有一個前提，質量是會隨著速度增加而增加的，因此洛侖茲變換中的質增效應公式必須要理解一二！

質增效應曲線，在物體接近光速時候，質量將趨向於無窮大，因此洛侖茲變換是質能方程中的一個重要基礎！

這是高速運動中的動質量，理解了這點之後，E=MC^2自然推導出來了！我們從中可以看到，這個過程與什麼原子核、裂變屁關係都沒有！但1939年玻爾和惠勒闡述的核裂變反應過程也遵循了這個公式，從這一點上你是不是得膜拜下愛老頭？當然你還得崇拜下洛侖茲老爺子！

大神雲集的一張照片，各位是否有話要說？

U235捕獲一箇中子後裂變的過程，當然上圖比較理想化，因為還有一個臨界質量才能讓中子在飛出U235塊前碰撞到下一個原子核而產生鏈式反應！U235的熱中子能量約207MeV,根據質能轉換公式U235原子質量徹底轉換能量後為931.5MeV，裂變的損失約佔207/931.5/235≈0.0946%，另有中微子的能量難以利用，大約有12MeV，因此一般都是200MeV作為核裂變的能量計算值！

還有很多朋友認為原子彈也是愛因斯坦領導製造，其實這完全是誤解，只不過愛因斯坦牽頭向羅斯福寫了封建議研究核裂變武器的信而已！因為納粹德國已經開始研究了，假如美國再不深入此領域的話，一旦被德國率先掌握對世界將絕對是一場災難！當然結果大家也知道了，並且也有很多謠言說明愛因斯坦後悔研究核武器等，其實和他還真只有半毛錢關係，所以他無論做與不做，原子彈這些原子核內的能量武器都會成功，E=MC^2也只是一個理論指導實踐或者實踐領先理論的一事兩面而已！

星辰大海路上的種花家

1905年是愛因斯坦的奇蹟成就年，其中狹義相對論中重要的成果之一就是質能方程，E=mc^2。

他根據普遍成立的能量守恆定律，建立起了質量和能量之間的關係。隨後，人們通過核反應所釋放出的巨大能量，完美驗證了愛因斯坦理論的正確性。

愛因斯坦是通過思考能量守恆定律起步的，例如，對於一杯熱水來講，也是由大量的水分子組成，溫度越高，內部的微觀粒子的運動越劇烈，當然這杯熱水的能量是和它的質量是有關係的。

愛因斯坦，在1905年假設物體的質量m和他所含的能量E具有正比關係，其比例係數就是光速c的平方，這就是質能關係方程E=mc^2，當然這只是忽略掉了洛倫茲因子的簡略寫法。

愛因斯坦的質能方程發佈之後，因此一些人們對原子內部能量的渴望，小小的原子核有可能蘊藏這可怕的能量。但當時大多數科學家認為控制核能還是一種夢想，對質能方程的攻擊也是質疑相對論的主要策略。然而隨著鈾裂變和鏈式反應的發現，原子能不再是理論上的能量，而是可以實際指導製造炸彈，後來原子彈和氫彈的出現改變了世界格局。

有人曾問愛因斯坦為何不能阻止原子武器的應用，愛因斯坦回答：“朋友，這很簡單，政治遠比物理深奧”

量子實驗室

愛因斯坦只是基於兩個公設：光速不變性和相對性原理，通過數學推導，重新推導物理公式在高速運動或非慣性參考系下的變化，然後得到了很多他相信的或不相信的結論。

當然，他的想法也不是憑空出現的。一個重要原因是麥克斯韋的方程組揭示了電磁波的速度與參考系無關，這顛覆了牛頓的絕對時空觀。於是，很多科學家嘗試解釋這種新的現象。洛倫茲就是一個先驅，他在伽利略座標變換基礎上提出來洛倫茲變換，已經可以解決高速運動下的動力學問題，其公式已經與狹義相對論的運動公式一樣了。但是，洛倫茲，沒有能夠解釋這種變換的本質和原因。而愛因斯坦則跨出了更大一步，從根本上重新探討運動、空間、時間、質量等問題，通過兩個簡單公設，得到了狹義相對論。後來，又進一步將引力加入到相對論中，得到了廣義相對論。

而能量方程、宇宙常數、引力波等都只是相對論的一個推論，當時也沒有物理學實驗驗證，經過幾十年上百年才慢慢地被驗證。說明愛因斯坦的思維遊戲、公設、推導過程是符合我們這個宇宙性質的！黑洞理論是另一個科學家根據相對論計算得到的一個結果。

說明人類的思維、演繹和推理能力，認知結果已經超越了眼睛觀察的內容。從牛頓的萬有引力定律（計算和預測了海王星和冥王星的存在），到麥克斯韋的電磁理論（預測了電磁波的存在，光是電磁波，光速不變），再到愛因斯坦的相對論，它們都預言了大量當時人類未知的東西，甚至得到了他們自己都不怎麼明白的結論，但是卻被後人所證實。這也是理論物理的魅力。

RaymondIT

原子彈沒發明出來之前，愛因斯坦是如何知道原子核裡面有著巨大神秘的力量的？

答：這是一個典型的已知結果反推過程的題目，因為這畢竟是一個不爭的事實。因為原子彈是利用核反應制造的一種核武器，說白了原子彈就是核能的一種應用之一，因此這個問題就變成了愛因斯坦在核能方面做出了哪些貢獻、原子是如何被發現的以及原子能為何有著巨大而又神秘的力量這三個小問題。

1、愛因斯坦在核能方面做出的貢獻

愛因斯坦的全名為阿爾伯特·愛因斯坦，他是被公認為是繼伽利略、牛頓以來最偉大的物理學家，他在核能方面的突出貢獻主要體現在他1905年創立的狹義相對論裡，在該項著作中提出了著名的質能方程，即E=MC²，同時闡明瞭能量守恆定律和物質不滅定律的實質，以及二者之間存在的關係，為核能開發奠定了理論基礎，但實際上關於原子核裡的神秘力量，愛因斯坦並沒有完全得出結論，只是他的論為其他科學研究提供了理論依據。

2、原子是如何被發現的

我們現在所知道整個世界都是由大量微小的原子組成，而原子又是由中子、質子和電子組成。但是科學家為了證實原子的存在，先後經過了一百多年的不斷深入研究，從1803年道爾頓首次提出原子說；到一個多世紀以後的1911年，拉塞福從α粒子散射實驗中發現原子有核，且原子核帶正電、質量極大、體積很小；再到1913年湯姆生的質譜儀測量質量數 , 並發現同位素，這一過程可謂曲折漫長。

3、原子能為何有著巨大而又神秘的力量

核能的獲得主要有兩種途徑，即重核裂變與輕核聚變。重核裂變通俗可以概括成這麼一句話：一箇中子撞擊一個原子核，產生兩個原子核及多箇中子並釋放射線及能量，循環重複下去，不斷有新的中子和原子核產生就不斷有能量釋放，為更好的理解重核裂變，建議可以和細胞分裂結合可能會更加明瞭；輕核聚變就更好理解了，簡單來講就是兩個以上（含兩個）輕核變成一個整體並釋放能量的過程；原子之所以擁有巨大的力量，精髓就是這“裂”和“聚”，共同特點就是“撞擊”、“高速撞擊”就是原子能巨大而神秘力量的來源。