03.08 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祕的力量的？

2020-03-08 01:37:23 佚名

萬綠叢中一瓢蟲

我們都知道原子彈是很有殺傷力的核武器之一，很多人都以為是愛因斯坦理論導致了原子彈的發明，其實都是子虛烏有的事情，愛因斯坦和原子彈的發明並沒有直接的聯繫，只是提供了理論支持。

愛因斯坦在提出質能方程的33年之後，科學家才發現核裂變。

原子彈的理論

原子彈是利用容易裂變的重原子核在裂變瞬間釋放巨大能量的原理而發生爆炸的。能夠製造原子彈的重原子核就是我們所熟知的鈾235和鈈239，而鈾235在自然界中的存量是非常有限的，而且鈾235和鈾238混在一起，它們高度相似，不好分離，這就要利用離心機把鈾235從鈾238裡面甩出來。

以鈾235為例，原子彈是熱中子在撞擊鈾235原子核以後分裂成鋇144和氪89，並釋放出200兆電子伏特能量和2-3箇中子，釋放出的2-3箇中子又將繼續撞擊其他鈾原子核，然後鈾原子核將繼續分裂並釋放出更多的中子，如此循環形成鏈式反應，然後有了很大的能量。

愛因斯坦的質能方程可以用來解釋核變反應中的質量虧損，其表達式為E=mc^2，其中E是能量，m代表質量，而c則表示光速（c=299792.458km/s）。

質能方程指出物體的質量是其能量含量的量度，簡單來說就是質量越大能量越大，也說明了說明，物質和物質可以相互轉換。利用相對論質增關係，然後結合動量定理和動能定理，就推導出了質能方程，推導過程中我們發現並沒有涉及任何原子核的事情。

總結

核彈都發生在原子核內部，質能方程頂多是質量很小的物體也有很大的能量，但是沒有告訴後人怎麼釋放原子核內的能量。所以愛因斯坦當時是並不知道原子核可以釋放能量。

星球上的科學

原子核內蘊含巨大能量是由質能方程計算的，所以題主這個問題關鍵在於愛因斯坦咋得出質能方程的

首先我們運用狹義相對論中的質速關係：

式中，m--物體質量，m0--靜止質量，v--物體速度，c--光速。

從上可知，物體的質量會隨著速度v的變化而變化。當v趨近於光速c時，物體質量m會增大到無窮。所以對於有靜質量的物體，光速是不可能達到的。

其次牛頓第二運動定律微分方程如下：
最後
結合上述兩式，利用質速關係對牛頓第二定律中的物體質量進行修正，可計算出物體在速度為v時所具有的動能：
在上式中，mc^2表示物體在速度為v時所具有的能量，m0c^2表示物體在相對靜止時所具有的能量。於是，就能得到質能方程：

從質能方程中可知，質量和能量在本質上是等價的。

質量在某些情況下會轉變為能量，例如，核裂變、核聚變等。
能量在某些情況下也會轉變為質量，例如，布萊特-惠勒過程、宇宙創生過程等。

有初有終

頭條同類型的問題需要整合一下，去年回答過一個類似的問題。

敲黑板，愛因斯坦在寫下質能方程的時刻並不知道原子核內部蘊含有巨大能量，也沒有想到這個方程30多年後可以用來計算核反應釋放能量的大小。

圖釋：我國第一顆原子彈爆炸現場

愛因斯坦質能方程的提出和發現核裂變現象的時間軸是這樣的。

在1905年之前，物理學中公認的大神是牛頓，整個物理學的架構都是在牛頓力學的基礎上發展起來的，1905年開始，愛因斯坦連續發表幾篇重量級論文，其中就包括提出狹義相對論的《論動體的電動力學》，論文中愛因斯坦第一次將能量和質量兩個不同的概念聯繫到了一起，中間用了物理學中非常嚴苛的“=”，這就是質能方程E=mc²，這在經典力學中是不可想象的，因為在此之前等式兩邊是兩個獨立的概念。

狹義相對論最初並沒有獲得別人的認同，尤其是提出光速在任何慣性參考系中都是不變的，這個理論根本無法接收，但是狹義相對論確實解釋了一些經典物理無法解釋的問題，如一些電磁現象，後來才逐步被物理學界認可，這是後話。

發現核裂變的1938年事情，著名物理學家哈恩和女核物理學家邁特納共同發現了這一現象，發現過程也是無意的，實驗的本來目的是用中子轟擊鈾原子核得到質量數更大的原子核，但是實驗總是失敗，得不到比鈾原子更重的原子，出現了一些比鈾更小的原子，當時並不知道原因，後來邁特納才提出了核裂變的概念。

圖釋：晚年的邁特納和哈恩

在核裂變之後，邁特納和哈恩進一步發現這個過程還釋放出了能量，公開發表以後，有科學家意識到愛因斯坦30多年前發表的質能方程就可以計算出這個過程釋放的能量，其中就有在德國軍隊中任職的核物理學家，向希特勒提出了研製原子彈的計劃。

最後，愛因斯坦質能方程其實無法深入解釋核裂變釋能的過程，僅能對此過程放出能量作出初步解釋，而無法進行機理性的解釋。

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核先生科普

愛因斯坦的質能公式E=MC^2是怎麼來的？

幾乎人人都聽說過愛因斯坦寫下了著名的E=MC^2，把質量和能量聯繫在了一起，甚至於還拉上了神秘的光速，但是這個公式是怎麼來的，又有什麼意義呢？

我們都知道，愛因斯坦發現了狹義相對論，也知道狹義相對論裡面有一個著名的“鐘慢尺縮”效應，意思就是一個運動的物體，對它而言時間會更慢，尺寸也會縮小。

但是除了“鐘慢尺縮”之外，狹義相對論還有一個很重要的推論，那就是運動的物體會更“重”，也就是質量會更大。而“質增”、“尺縮”、“鐘慢”就是狹義相對論裡面提出的三種特別的現象。

公式放在這裡，我們卻可以由此推導出來很多匪夷所思的性質，而質能公式E=MC^2就是從這些推論中來的。

剛剛說到物體變得更重了，這就意味著你想要用同樣的力推動一個不同速度的物體，讓這個物體運動的更快，結果發現因為物體的質量不一樣，所以你把物體提高相同的速度，實際上花費的能量是不一樣的！

這個現象就導致了人們自然而然地問出來一個問題：我用同樣的能量推動一個物體，為什麼物體動能增加的不一樣？那些消失的能量去哪裡了？

一邊是神秘消失的能量，一邊是神秘增長的質量，於是答案呼之欲出：原來質量和能量是一回事！

下圖是一個很簡略的推導過程，實際上的推導要嚴謹很多，但是從中我們也可以看到質能公式的影子。這個推論是非常偉大的，居然在狹義相對論中找到了質量和能量之間的關係。

但是愛因斯坦很有可能真的不知道自己的質能公式可以用來解釋原子核中的巨大能量。

愛因斯坦雖然是一個偉大的物理學家，但是他本身不是工程師，核彈之類的東西他本人可能並不是非常擅長。把質能公式運用到核反應中的，並不是愛因斯坦本人，而是另有其人，這個人就是原子彈之母，第一個理論解釋核裂變的瑞典物理學家——莉澤·邁特納。

核裂變最早是由奧托·哈恩於1938年發現的，也就是鈾原子核在被中子撞擊之後分裂為兩個原子核，同時放出巨大的能量。但是這位科學家只是發現了有核裂變這個現象，至於說為什麼，他自己也不清楚。

這個時候一位名叫莉澤·邁特納的女科學家（如下圖所示）看到這種獨特的核反應，並且注意到了核裂變之後的原子核總質量比裂變前的原子核小，忽然靈機一動，想到了愛因斯坦的質能公式。

根據她的計算，因為這損失的質量，每個鈾原子核裂變之後會放出2億電子伏的能量——這就完美解釋了原子核裂變的能量來源！當然，也間接證明了質能公式的正確。

所以，原子核中蘊藏的巨大能量可能是愛因斯坦本人都沒有預料到的，他只是寫下了質能公式，可能他自己也不知道這個公式到底在現實中有怎樣的體現。

愛因斯坦寫下了質能公式，卻被另一個科學家用來解釋毫不相關的核反應，歷史就是這麼巧妙。

航小北的日常科普

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

核裂變其實和愛因斯坦沒啥關係

很多人總是會把愛因斯坦和原子彈甚至是氫彈聯繫到一起，甚至還有很多人認為質能方程是製造原子彈的原理。那愛因斯坦到底和原子彈有沒有直接的關係呢？質能方程真的是製造原子彈的原理麼？

實際上，並非如此，如果非要找到愛因斯坦和原子彈之間的關係，那只有兩件事，一個是愛因斯坦在一份支持製造原子彈的請願書上籤了字，以及後來美國把原子彈投到日本本土之後，愛因斯坦極力反對原子彈的製造。也就是說，愛因斯坦從頭至尾就沒有闡述過如何製作原子彈，更沒有參與制作原子彈。甚至因為他是和平主義者，他很反對原子彈。

質能方程是幹嘛的？

質能方程也就是E=mc^2，也被叫做質能等價，說的是質量和能量的對應關係。他是愛因斯坦在1905年的時候提出來的。

它實用性非常廣，並不僅僅在原子彈上,還可以運用到任何涉及到能量和質量的場合。所以，它和原子彈的關係僅僅是解釋了原子彈的威力為什麼這麼大。原子彈的爆炸威力和原子的原理本身是兩回事。我們可以再具體一點，質能方程指出的是如果物質的靜止質量發生虧損，這部分虧損的質量可以對應能量，具體可以用E=mc^2來計算，僅此而已。那我請問了，知道這樣的原理，有誰能做出原子彈麼？並不能。

所以，認為質能方程是原子彈的原理這本身是因果倒置了。

原子彈的原理

原子彈的原理是核裂變，它是較重的原子（這裡指的是原子序數較大的原子），一般是指鈾或鈈發生裂變，裂成相對較輕的原子（這裡指的是原子序數較小的原子）。

上文也提到了，質能方程是1905年提出來的。而核裂變其實是1938年，由莉澤·邁特納、奧托·哈恩及奧托·羅伯特·弗裡施等科學家提出的。也就是說，真正讓科學家瞭解如何製作原子彈是在質能方程被提出後33年才被提出的。

不過，要真的製備原子彈，光靠一次核裂變是不夠的，而是要持續的核裂變，這也被稱為鏈式反應。

具體來說，鏈式反應是這樣的：

當重元素（原子序數大的元素）原子裂變後，釋放出一些自由中子，這些自由中子在發生衰變之前又去撞擊其他原子，進一步引發核裂變，只要核燃料足夠多，就可以源源不斷地引發核裂變反應。

原子彈的威力為什麼這麼大？

其實上文也提到了，原子彈威力之所以大是因為出現的靜止質量的虧損。比如說：U235發生核裂變的過程，大概就是吸收一箇中子，變成U236的原子核，然後快速裂變成快速運動的兩個元素序數小的原子核，同時釋放出三個中子，伴隨著

伽馬射線。

反應前的靜止質量是要大於反應後的靜止質量，把虧損的靜止質量乘以c^2（E=mc^2），我們就可以知道，原子彈反應過程中釋放出來的能量。所以，原子彈的威力如此巨大，就在於反應前後的靜止質量有虧損，而對應的能量是靜止質量乘以c^2，這裡的c指的是光速，取值近似3*10^8m/s，再開放就是9*10^16，因此，即使是微小的靜止質量的缺失，都會帶來巨大的能量。

最後，我們來總結一下，

愛因斯坦的質能方程其實是1905年提出來的，愛因斯坦只是統一了質量和能量，我們並沒有辦法從質能方程中得出原子彈的原理，因此，愛因斯坦提出原子彈的原理。而原子彈的原理其實是核裂變，這是1938年才由科學家們提出來的，原子彈之所以威力這麼大，其實就在於反應前後有靜止質量的虧損，釋放出來的能量對應的是靜止質量乘以光速的平方，而光速近似為3*10^8m/s，因此，釋放的能量才會如此巨大。

鍾銘聊科學

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

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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眾所周知，愛因斯坦知道最重要的能量方式是公式的推斷，能量是愛因斯坦科學理論中一個非常特殊的領域。由於小顆粒具有不同的能量，許多學者總結了基於數千個實驗的通用公式，因此被廣泛使用在推斷核能方面。愛因斯坦是一個耐心和創新的人，他根據這些公式使用自己的假設。

通過長期計算和公式應用，愛因斯坦推斷出一組他自己的物體質量和能量。他們之間的關係進一步證明並發表了核心中存在巨大能量的結論。有必要知道，許多學者已經研究了原子核中的能量，但只有愛因斯坦的理論已經傳下來，這足以說明他的理論和先進思想的成功。

另一方面，愛因斯坦依賴於推理未來發展的能力，原子彈的巨大破壞力來自核分裂所釋放的力量。這種力量有多大，愛因斯坦的理論解釋了這個問題，在光速和外界物理條件的情況下，他狹義理論證明了粒子世界中存在物質的潛力！而那時，科學技術水平無法完全製造原子核。因此愛因斯坦只能通過理論研究和計算，證明來驗證巨大的核能。