第125章 解釋三：質能方程，橫空出世！震驚眾人！

  第125章 解釋三：質能方程，橫空出世！震驚眾人！

  證明完動量守恆定律在相對論中依然成立後，李奇維沒有停下，他繼續說道：「同理，能量也是如此。」

  「普朗克教授所謂的能量指的就是動能，物體運動後所具有的能量。」

  「按照牛頓力學的定義，動能的表達方式為【E=1/2mv】。」

  「一個質量為m的小滑塊靜止在地面，則它的動能為0。」

  「當我們用恆力F去推動滑塊，滑塊移動了距離S，然後均勻加速到速度v。」

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  「如果我們計算力F在距離S上做的功，會發現它正好等於滑塊的動能1/2mv。」

  「這也是動能定理的內容，即外力對物體做的功，等於物體的動能改變量。」

  「如果想要經過LQW變換後，依然滿足守恆，則動能需要經過以下改變。」

  「首先，我們用【力乘以位移】來計算外力的功，即【E=FS】。」

  「雖然力F可以用【F=ma】表示，但是剛剛我已經推導了相對論中的新動量定義。」

  「所以，我用動量的變化率【△p/△t】表示F。」

  「這樣可以節省大量的運算，而且符合邏輯。」

  「前面我們假設力F是不變的，滑塊在做均勻加速運動，但這只是一種特例。」

  「為了保證普適性，我們假設F和S在變化，則這裡還需要用到微積分。」

  「如圖所示，我要開始計算了。」

  「咔咔咔、咔咔咔」

  「經過計算後，我就得到了在相對論中，新動能的定義方式。」

  在眾人起初不在意，然後漸漸皺眉，最後瞪大雙眼的震驚下。

  李奇維最後推導出來的公式為：【E=γmc-mc】。

  他繼續解釋道：「這就是堅持相對論的基本原理，認為物理定律應該滿足LQW變換後，得出的新動能定義。」

  「這個公式中，γ稱為相對論因子，與物體的速度v有關，γ=1/√（1-v/c）。」

  「我知道，大家可能不太習慣這種動能的表示方法。」

  「但是，牛頓力學就是相對論的近似，不信你們看。」

  「我只要將γ進行泰勒展開，一階.二階」

  「成了，這時候就變成了我們熟悉的牛頓力學定義的動能形式：E=1/2mv。」

  「這證明了，牛頓力學動能只是相對論動能的二階近似。」

  「m依然是我們知道的質量，是一個不隨速度和參考系變化而變化的物理量。」

  「而E就是物體因為運動，而具有的動能。」

  「仔細看這個公式，如果當物體的速度v等於0時，那麼γ就等於1。」

  「動能就變成E=mc-mc=0。即靜止物體的動能為0，這很符合我們的認知。」

  「但是，當物體速度逐漸增大時，相對論因子γ就開始大於1。」

  「γmc與mc的差值越來越大，結果就是物體的動能不斷增大。」

  「mc可以理解為質量為m的物體在靜止時具有的能量，我把它簡稱為【靜能】。」

  「而E是物體的動能，動能加靜能自然就是物體的總能量。」

  「即：【E+mc=γmc】，γmc就是物體因為運動，而具有的總能量。」

  「當然，如果我們把方程換個形式，也可以理解為物體的質量會隨著速度增大而增大。」

  「但我認為這種理解，會丟失某些重要的物理信息。」

  「所以，經過以上的推導後，我們可以得到一個簡約的公式。」

  「一個靜止的物體依然具有能量，統稱為靜能。」

  「且物體的靜能與質量有對應關係，即【E=mc】，c為光速。」

  「我把這個方程叫做【質能方程】。」

  當這個著名的方程，被李奇維通過相對論循序漸進推出來後。

  「嘶！」

  無數人倒吸一口涼氣。

  「轟！」

  緊接著就是會場內徹底沸騰。

  所有人都看著那個仿佛上帝親手寫下的公式。

  內心止不住瘋狂吶喊：

  什麼情況？

  能量和質量不應該是相互獨立的概念嗎？

  怎麼會有等式關係。

  這與牛頓力學根本不符合。

  在牛頓力學中，物體靜止時，能量為0才對。

  「不可能，絕對不可能。」

  「這豈不是說質量可以轉換成能量？」

  按照這個公式，一個物體哪怕在靜止時，依然具有能量，而且能量大小還與質量有關。

  最關鍵的是，還要乘以一個光速的平方，這是什麼概念？

  那豈不是說，一個小小的蘋果，其蘊含的能量就是一個天文數字了？

  諾貝爾先生曾經發明一種炸藥，名為TNT。（註：實際上不是諾爾貝發明的，但當時的人們認為是他發明的。）

  一千克的TNT爆炸所產生的能量為四百萬焦耳。

  按照質能方程計算，一個蘋果蘊含的能量大概相當於.500萬噸TNT爆炸的能量。

  「嘶！」

  計算出結果的物理學者們，頓時被震驚的麻木了，呆呆的不敢置信。

  這簡直就是天方夜譚啊！

  一時間，就連湯姆遜等資深物理學家們也懵逼了。

  布魯斯到底推導出一個什麼物理怪胎啊！

  剛剛在計算動量時，還在眾人的接受範圍內，而且大家認為思路沒什麼問題。

  不過怎麼到動能時，竟然會得出這樣一個結果。

  那些受傳統物理影響很深的物理學家，此刻都在喃喃自語。

  開爾文勳爵、瑞利勳爵、凱斯教授。

  他們不約而同地反對：「怎麼可能，質量和能量完全就是兩個概念啊？」

  這一刻，哪怕是之前支持李奇維的人，也被震撼的無語了。

  潛意識認為一定是哪裡出錯了。

  E=mc？

  豈不是說，通過質量虧損可以得到能量？而且是巨大無比的能量，因為需要乘以光速平方這個天文數字。

  李奇維將眾人的表情，一切盡收眼底。

  他甚至已經預感到大家會產生什麼聯想了。

  包括但不限於：

  【質量可以轉化成能量。】

  【質量是能量的一種形式。】

  【質量虧損可以變為能量。】

  可惜，以上這些認知全部是錯誤的。

  這時，開爾文勳爵忍不住站了出來，「布魯斯，你前面的推導非常精彩，但是關於質能方程，我有點問題。」

  「第一，靜止的物體，它的能量從何而來？」

  「第二，根據質能方程，豈不是說虧損質量就能得到能量？」

  李奇維淡淡一笑，果然像開爾文勳爵這樣的老一輩物理學家，是接受不了質能方程的。

  因為它實在太匪夷所思了，可以說完全顛覆了牛頓體系的想像。

  這就是相對論的魅力之處。

  在其他人和開爾文勳爵一樣的迷茫下，李奇維笑道：「勳爵，感謝你的提問，我想很多人都有這個疑惑。」

  「第一，一個物體靜止時，它的能量是多種多樣的，有內能、化學能、各種勢能等。」這時候，他可不敢說核能。

  「但是我不關心種類，把它們都加起來後，除以c，就能得到物體的質量m。」

  「【質量是能量的量度】。這一句話非常關鍵，大家可以仔細揣摩。」

  開爾文勳爵臉上的疑惑依然很深，他一時半會很難體會這句話的深刻內涵。

  倒是盧瑟福若有所思的點點頭，好像明白了什麼。

  「至於第二個問題，所謂的【質量虧損】、【質量可以轉換成能量】，其實都是一種誤解。」

  「我想問大家一個問題，質量是什麼？」

  眾人交頭接耳，覺得李奇維有點莫名其妙，質量就是質量啊，還能是什麼。

  不過，資深物理學家大佬們全都在冥思苦想，體味李奇維的深意。

  沒辦法，現在的李奇維感覺和他們不是一個次元的了。

  任何一句話都包含驚天動地、顛覆一切的信息。

  李奇維沒有等回答，繼續說道：「在牛頓時代，宇宙萬物都是由實物粒子組成。」

  「各種物理現象，只是這些粒子的排列組合和運動變化。」

  「而粒子的運動規律，則由牛頓力學支配。」

  「在這種情況下，人們認為組成物質的粒子是不可摧毀的。」

  「後來化學家們，發現化學反應前後，物質的總質量不變，這就是大名鼎鼎的質量守恆定律。」

  「化學反應只是原子間的排列組合，只要原子的種類和數目沒變，自然總質量就不會變。」

  「這個定律更加證明了物質不可摧毀的觀點。」

  「只要我們認為【一個物體的質量等於組成這個物體的所有粒子質量之和】，那麼質量就是物質的代名詞。」

  「因為人的潛意識就認為，只要是物質，肯定由粒子組成。」

  「但是！」李奇維忽然提高了聲音。

  「在這種語境下，能量又是什麼呢？」

  「我們以一個化學反應，煤炭燃燒為例。」

  「在化學家眼裡，燃燒就是煤炭里的碳原子和空氣中的氧原子結合成二氧化碳分子，然後這個過程釋放了能量。」

  「但燃燒前後，原子的種類和數目都沒有變化，所以質量不變。」

  「在這種經典體系下，質量和能量是明顯不同的兩個東西。」

  「質量是所有原子的質量之和，而能量不過是反應的副產品而已。」

  「所以，對於質能方程，開爾文勳爵的理解是，組成物質的原子被摧毀了，這部分被摧毀的原子質量，就轉換成了能量。」

  「這種想法當然是錯誤的。」

  「因為在相對論的體系里，物質不能再被看成僅僅是一堆原子組成，質量也不再是組成原子的質量之和。」

  「一個靜止的物體，除了包含其組成原子的能量，還包含原子之間因為相互作用而具有的能量。」

  「而物體的質量就是表徵所有這些能量的量度。」

  說道這裡，其實李奇維不敢深入，他沒有提到【電磁場】這種無法看成實物粒子的存在。

  如何把實物微粒和電磁場統一起來呢？

  牛頓力學不行，相對論也不行，甚至量子力學也不行。

  只有相對論、量子力學、場論思想三者結合，形成的【量子場論】才能解釋這個問題。

  後世熟知的【粒子物理標準模型】就是基於量子場論建立起來的。

  不過，相對論的質能方程，這樣解釋已經足夠了，不需要更多的細節。

  於是，他繼續說道：

  「還以煤炭燃燒為例，在這個化學反應中，其實質量也是發生了改變的。」

  「碳原子和氧原子結合形成二氧化碳分子，釋放了能量，於是度量能量的質量自然也減少了。」

  「只不過因為化學反應釋放的能量很少，除以c後，質量的減少非常非常小，以至於我們覺察不到。」

  「但在木炭燃燒中，也是依然需要滿足E=mc的。」

  「當然以上的所有推導，都是指物體的靜能，而非動能。」

  「隨著速度的增加，物體的動能就會增大，能量增加了，質量自然也跟著增大，這就是所謂的動質量。」

  「但是，我希望大家不要過度關注動質量這個詞，質量本來就是跟物體的運動狀態無關的。」

  當李奇維解釋完後，會場內死一般的寂靜。

  所有人的表情都已經凝固了，仿佛時間被按下了暫停鍵。

  開爾文勳爵已經完全失去了思考能力，他不問還好，一問更懵逼了。

  整個場內，此刻能無障礙理解李奇維的，恐怕只有愛因斯坦一個人了。

  至於其他人，必須需要消化一段時間。

  於是，就出現了一幅詭異的畫面。

  李奇維直直站在台上，一言不發，靜靜地看著下面的人。

  台下眾人，連同主持人洛倫茲在內，就一直保持著張大嘴思考的樣子，目光全部集中在李奇維身上。

  一分鐘兩分鐘.

  足足三分鐘後。

  會場內終於爆發出一陣陣響天徹地的討論聲。

  「哦，我的上帝啊，連質量這個概念都有問題，我感覺物理學不存在了。」

  「我以為質能方程已經足夠離譜，沒想到布魯斯·李的解釋更加離譜，伱跟我說質量不是粒子質量之和？」

  「哎，我還以為能憑空造出大威力武器呢，我本來以為只要想辦法讓蘋果質量虧損，那豈不是就能獲得能量。」

  「現在看來，完全不是那麼一回事啊。」

  這一刻，所有人的腦海里，只能想到一個詞：驚為天人。

  不然完全無法解釋李奇維的大腦，到底是怎麼想出來這些東西的。

  此時，資深物理學家們已經回過神來。

  只要一直保持相對論的思維，摒棄掉牛頓的經典力學觀點，那麼李奇維的分析就完全是正確的。

  雖然結果很魔幻，很離奇，但那就是相對論體系下的物理定律，與牛頓體系定律有著本質的區別。

  普朗克、湯姆遜兩人苦笑地看著李奇維。

  前者感嘆，李奇維已經完全超越了自己這個老師，將邁上更高的台階。

  而後者則唏噓，這個博士生還咋帶啊，乾脆回去就讓對方畢業得了。

  相對論第三輪學術交鋒，李奇維完勝！

  然而，爭議還未結束

  (本章完)

  （還有更新耶）