質能方程E=mc^2的推導過程是怎樣的?

大飛哥8253


愛因斯坦,根據同構相對相等的原理,產生的質能公式。

愛因斯坦的質能公式,只適用於物質態可知質量的部分,具有的能量。

物質態,還具有質量不可知的能量,暗能量。這時,運用愛因斯坦的質能公式,想要獲得準確的能量,就無能為力。

物質的質量存在能量,物質背後潛在暗能量。故,愛因斯坦的質能公式,只能計算出物質的部分能量。

宇宙二維的能量公式:P=A*M^0  

P能量;A位量;M質量;^0次方;A*M位量乘質量。

位量=物體循環的週期壽命。

質量,存在顯能量,也潛在暗能量。

二維能量,是物體顯能量與暗能量的總和。


手機用戶70174962639


如下圖所示:

原理並不複雜,除了涉及一些微積分計算以及一個質增公式(見下圖)之外,中學生就可以理解(你可以看第一個等式,E=Fx,這不就是動能定理嗎?其餘的幾個符號都是微積分裡面的,所以說從動能定理的角度就能將質能方程推導出來)。

微積分這一數學工具咱們暫且不說,推導過程中唯一涉及的一個新知識就是質增公式了。這是狹義相對論的推論,簡單理解就是速度越快的物體,它的質量會增加(注意,這裡指的是相對速度)。

隨後的結論可以看出,一個物體的動能表達是變成了:運動中的物體總能量-靜止時的物體總能量,也就是(mc^2)-(m0c^2)。

這個形式與牛頓力學中的1/2mv^2看上去差別很大。但是在低速狀態下(也就是速度遠小於光速),這個表達式可以退化為牛頓力學形式。

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賽先生科普


質能方程是從愛因斯坦的狹義相對論中所推導出來的,為了得到這個方程,先要了解質增效應。

根據狹義相對論,隨著物體的運動速度逐漸加快,其質量也會隨之增加,其關係如下:

上式中,m0為靜止質量,m為運動質量(或稱相對論性質量),v為速度,c為光速。

根據牛頓的第二運動定律:

注意m是變量,所以也要對其進行微分。

然後,再由機械能守恆定律可得,物體的動能Ek為:

對上式兩邊同時進行積分可得:

愛因斯坦把上式中的m0c^2稱為物體的靜止能量E0,mc^2則為物體的運動能量E,所以物體的動能就等於物體的運動能量和靜止能量之差。由於E=mc^2把質量和能量通過光速聯繫在一起,所以我們就將其稱作質能方程。根據質能方程,即便是小如塵埃的物體,它也擁有著巨大的能量,因為光速平方是一個極其巨大的數值,這也是為什麼核彈能夠釋放出極為龐大能量的原因。

再來看一下相對論動能公式,其表達式似乎與我們中學所學的牛頓動能公式Ek=1/2mv^2似乎是不一樣的。但如果我們對(1-v^2/c^2)^-1/2進行泰勒展開:

如果速度遠遠小於光速,即v<

此時的相對論動能公式近似於經典物理學中的動能公式,所以牛頓動能公式的適用範圍是低速狀態,其簡單形式方便計算。但一旦涉及到亞光速運動,只能使用相對論動能公式。


火星一號


答:相對論的質能方程,可以根據相對論的質速關係直接推導出來。


質速關係

質能方程是相對論的直接推論,也是物理學中最美妙的方程之一;要推導質能方程,我們需要用到相對論的質速關係方程:

該方程描述到,物體的質量並非一成不變,而是隨著物體速度的增加而增加;同時也指出,物體在無限接近光速時,物體質量將趨向於無窮大,暗示著擁有靜止質量的物體不能達到光速。


質能方程

然後,我們根據質速關係和動量方程,利用一點微積分知識,就可以推導出大名鼎鼎的質能方程:

在相對論下,物體動能為Ek=mc^2-m0c^2=Δmc^2;

該方程表示:一個物體的總質量,包含了一個動質量Δm,和一個靜止質量m0。同時也暗示著,一個靜止質量不為零物體,也存在一個固有能量m0c^2。


因為光速非常大,所以一個小質量的物體,也包含著巨大的能量;比如在核聚變中,質量虧損率為0.7%,1剋核聚變材料,就能釋放高達140噸TNT當量的能量。

那麼對於任意物體,把動質量和靜止質量看成相對論質量,那麼物體總能量就可以寫成E=mc^2,這也是物理學中最美妙的公式之一,也指出質量和能量在相對論中是統一的。


經典力學和相對論力學

我們知道,在牛頓力學中,物體動能E=mv^2/2,其實該公式也可以根據質能方程推導出來:

也就是說,牛頓力學動能方程,是相對論質能方程在物體速度遠低於光速下的近似方程;在這裡,我們看到了牛頓力學和相對論力學的高度統一。


靜止質量為零的特殊情況

在質速關係方程中,我們一直在強調物體的靜止質量不為零,但是確實有些粒子的靜止質量是為零的,比如光子。

那麼對於光子的情況,質速關係方程將不再適用,這時候需要用量子力學來描述光子的能量:

E=hυ;

其中h為普朗克常數,υ為光子的頻率。質能方程屬於普適方程,一樣可以用在光子身上,我們可以根據光子的能量,反過來得到光子的相對論質量:

m=hυ/c^2;

只是光子的這個質量,只包含動質量,不存在靜止質量。


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艾伯史密斯


這是狹義相對論的一個推論。

首先指出,據我觀察,相當多的人對相對論最基本的原則視而不見:

相對性!相對性!相對性!

相對論裡沒有絕對參考系,沒有絕對座標,沒有絕對時間,沒有絕對速度…

所以,(除了靜質量之外),也沒有真正意義上的絕對質量,絕對動量,絕對能量…

所以,我們必須首先理解,質能方程(以及其它任何相對論公式),討論的都是“相對質量”,“相對能量”,“相對動量”。都是針對某個特定觀測者(參考系)的。

質能方程 E=mc²,其推導本身是個簡單的微積分遊戲。

通常,我們採用該公式的另一個等價的微分形式:ΔE=Δmc²。再次強調,這裡的能量和質量,指的都是相對論能量/質量。

察看公式,左邊ΔE是能量的變化量,相當於“力做功”,也就是F*Δs=F*Δt*v=v*ΔP。這裡P代表相對論動量。即,能量對動量的導數為速度:

⑴,ΔE/ΔP=v

於是,ΔE=vΔP=vΔmv=v²Δm+mv*Δv。①

然後,考察相對質量公式:

m=m₀/√(1-v²/c²)

兩邊平方得:(c²-v²)m²=m₀²c²。

對速度v求導(右式是常量),有:

Δ((c²-v²)m²)/Δv=0

即:(c²-v²)*2m*Δm/Δv-2vm²=0,

移項,約掉2m,得:mv*Δv=(c²-v²)Δm,②

代入①,有:

ΔE

=v²Δm+mv*Δv

=v²Δm+(c²-v²)Δm

=Δmc²

得證。(兩邊積分+靜質量m₀c²,即得普通形式)

這個方程其實也可以用閔可夫斯基空間,座標變換後直接得出。當然兩者在數學本質上是一樣的。

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這個幾何證法更簡單,簡介如下:

狹義相對論使用的閔可夫斯基空間是由空間軸(三維向量)和一個正交的虛時間軸(ict)構成,考察一個該座標系(參考系)內的運動物體,有:

- 空間座標s,

- 時間座標ict,

- 斜邊(運動物體的相對時間軸)由勾股定理算得為ict/λ,其中λ=1/√(1-v²/c²),這本身就是洛倫茲因子的推導過程。

對該座標系做線性變換,乘上因子λm₀c/t,有:

- 空間座標變換:s*λm₀c/t=mc*s/t=mvc=Pc

- 時間座標變換:ict*λm₀c/t=iλm₀c²=imc²

- 斜邊變換為:ict/λ*λm₀c/t=im₀c²

我們定義“X量”:X=mc²=λm₀c²=λX₀,根據勾股定理有:

(iX)²+(Pc)²=(iX₀)²

即:X²-X₀²=c²P²,③

兩邊對速度v求導,得:

2X*ΔX/Δv=2c²P*ΔP/Δv

即:ΔX/ΔP=c²P/X=c²mv/(mc²)=v

對比最初的⑴式ΔE/ΔP=v,可知:

ΔE=ΔX=Δmc²

即我們定義的“X量”就是能量。如此同樣得證質能方程。過程中包含另一個狹義相對論的重要公式:

⑵,E²-E₀²=c²P²

我個人比較喜歡這個幾何證明,不僅因為更簡單,而且過程中可以直接理解愛因斯坦為何如此定義“相對論質量”,“相對論動量”,“相對論能量”… 都是從最初的閔可夫斯基座標系裡簡單的幾何變換得到的必然結果。也可以說,這種“幾何意義”,就是它們的“物理意義”。


帖木兒


想信支持質能方程的網友回答,一,什麼是質量,眾說不一,涵混不清,與重量關係是什麼?質量本質都沒搞清,所以方程無意義,提出質量一詞本意就是忽悠。

二,依質能方程現實分析,一公斤煤炭和一公斤鈾能量等同,可能嗎?

三,為什麼物質能量等於質量乘以光速平方?依據在那裡?

質能方程純粹胡編亂造,相對論與量子力學都是偽科學,誤導誤學百年,害人不淺,且還在延續,

看吧,支持大都是同一批人,每次只有那麼幾個所謂專家在堅守。

質能方程無法實際應用,所以更談不上與原子彈爆炸有關係。


原黃烈平


對質能方程的解釋是:物質的能量=物質的質量Ⅹ光速X光速。即E=m×C×C。核武器爆炸時的能量釋放就是這個道理。土豆大一顆原子彈,爆炸後釋放的能量,相當一座中型煤田!

這是愛因斯坦提出的最著名的相對論之一,到底是對還是錯,人類至今也搞不清,因為此結論無法用科學手段去證實!

如果此理論是錯誤的,那麼,其推導過程也是錯誤的。

愛因斯坦一直被很多人認為他是近現代最偉大的科學家,但他參與了原子彈的研製,原子彈是可以毀滅全人類的東西,不得不承認,愛因斯坦是個大屠夫,人類的大災星,只有那些愚蠢之人才拚命地崇拜愛因思坦!不少人拚命叫喊愛因斯坦是偉大的科學家,對人類貢獻巨大的科學家,這些人,沒嚐到原子彈的厲害,胡吹一氣!!



用戶創維


看圖說話



五龍山山舞龍


沒什麼玄,就是動能公式1/2mv^2,物質在衰變過程中裡面的夸克電子什麼的以光速向外輻射出去了,於是v就變成了c,然後向外輻射是相對的兩個方向,在速度中沒有雙倍光速一說,否則就是穿越時空了,因此上面的公式也變成了mc^2,所以也可以叫相對論公式,於其說是推導出來的倒不如說是一時靈感出來的!


Goldman57336538


首先E是運動質量的綜合,m是

永恆不動的天體,

C是光

速的快慢,^是以每秒每分每時等來說光速快慢的。2是幾倍的運動量


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