质量|原子弹是怎么来的?《张朝阳的物理课》探讨质量与能量的关系

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质能公式“E=mc2”如何得来?爱因斯坦“制造”了原子弹?12月19日12时,《张朝阳的物理课》第十三期开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,复习了“尺缩钟慢”效应,推导洛伦兹变换公式。并在爱因斯坦“狭义相对论”框架内,探讨质量和速度、质量和能量的关系,推导出“E=mc2”公式。
“E=mc2”如何得来?爱因斯坦“制造”了原子弹?“今天是狭义相对论的第二讲。”张朝阳先处理了上一节课留下的“思考题”:时间会膨胀,长度会收缩。
他假定双胞胎兄弟中,一位上了飞船,一位留在地面。旅行者认为飞行时间为10年,但返回地面后,发现兄弟已经度过了15年。所以,相对论的时间变慢指的是不同参考系之间的时间流逝不同。
张朝阳再次介绍了“长度收缩”。假定测量一个物体的长度,在静止的情况下,只需要知道点到点的距离。但在某一个运动的参考系中,如果这个物体沿运动方向放置,且相对于此参考系静止,那就比在静止状态下的物体短一些。这种情况被叫做长度收缩效应。
“尺缩钟慢”是狭义相对论最普遍的结论,洛伦兹变换正是定量描述这两种效应的数学公式。张朝阳画出两个惯性坐标系S系和S'系,推导出洛伦兹变换关系式。而爱因斯坦的狭义相对论,其核心方程式就是洛伦兹变换。
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(张朝阳通过质能关系,讲解太阳上的核聚变)
张朝阳根据洛伦兹变换关系式,讲解了质量和速度的关系,以及质量和能量的关系,推导出著名的质能公式:E=mc2。它能解释原子失去极少的质量,为何能释放如此巨大的能量。此后的科学家们,通过大量实验,发现了铀235和核裂变现象,证实了这个公式的正确性。
张朝阳解释道,铀235是铀元素里中子数为143的放射性同位素。天然矿石中含有铀的多种同位素,其中铀235含量只有0.7%,经过铀浓缩后,丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀,主要用于制造核武器。
由此,张朝阳引申出一则小故事。美国将两颗原子弹投放在日本广岛和长崎,爆炸地区死伤惨重,爱因斯坦因此遭受骂名。但事实是,爱因斯坦只是在理论上论证了质量和能量之间的关系,未参与原子弹实际的研制工作。“围绕这个公式还有很多故事,包括减速剂等,一切都是物理。理论物理告诉你能量是这样的,后来完全被证明。下一讲会介绍公式相关的一些应用。”
搜狐视频发力知识直播 不仅传播知识更训练科学素养自11月5日至今,《张朝阳的物理课》已直播十三期。在第一、二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行圈数;第三、四课的内容则和“振动”相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚的太阳颜色为何不一样,以及蓝色天空的秘密;第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论;第七、八、九期则重温经典力学的两朵乌云,带领网友触摸量子力学;第十、十一课则重点回顾黑体辐射曲线及其应用,试图重回137亿年前的宇宙;第十二、十三期则尝试进入爱因斯坦的思想世界,推导出著名的公式“E=mc2”。
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