改变世界的方程

1月27日 |《改变世界的方程》

牛顿、爱因斯坦和相对论，帮你刷新世界观。

书名：《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》

作者：[德] 哈拉尔德·弗里奇

今日解读：邢志忠

解读人简介：中国科学院高能物理研究所教授，本书译者

播音：裴喜

策划编辑：陈艳

音频编辑：陈子夫

01 听前思考

什么方程能够改变世界？

在改变世界的方程背后，有着什么物理思想？

这个方程为世界带来了哪些改变？

02 书中金句

在科学和技术上，没有理由做绝对的、无可置疑的声明。

科学是一项严肃的事业，严肃得不能只留给科学家来处理。

只要我们设法非常节俭地使用我们的能源和原料，包括核能，人类文明就能够在我们这个星球上延续下去。我相信这是我们唯一的出路。

03 精华笔记

要说世界上最著名的物理学家，毫无疑问，那就是爱因斯坦。爱因斯坦的最大贡献在于提出了相对论，并由相对论推导出质能方程：E=mc2。《改变世界的方程》这本书讲述了关于质能方程的故事。

本书作者弗里奇是德国理论物理学家，师从海森堡教授。同时也是一位很有成就的科普作家，作品被译成多种文字，影响了整整两代人。

这本书的基本架构是让牛顿和爱因斯坦穿越到现代，加上作者本人的化身——哈勒尔教授，三个人一同探讨科学问题。这三个人的身份，恰好代表了物理学的三个发展阶段：经典、现代，再到当代。其中牛顿的角色是学生，爱因斯坦的角色是老师，而哈勒尔则相当于助教。

关于这本书，我们探讨了两个问题，质能方程是什么？以及，它是怎么改变世界的？

第一部分，质能方程是什么？

在中学物理课，我们学过相对性原理，这是牛顿力学的核心思想之一。1864年，麦克斯韦提出了电磁理论。这与相对性原理产生了矛盾。 这时爱因斯坦登上了历史舞台，他打破了绝对空间的思考框架，提出了相对时间与相对空间的概念，也就是爱因斯坦在1905年创建的狭义相对论，并用狭义相对论的思维推导出质能方程。

不同于牛顿，爱因斯坦认为：存在不同的参考系，就存在相对不同的时间和空间，两者交织在一起，形成了“时空”的概念。

狭义相对论背后有什么基本原理呢？

第一个是相对性原理，在所有参考系中，物理学规律都是一样的；

第二个是光速不变原理，在所有参考系中，真空中的光速恒定不变。

根据这两条原理，爱因斯坦推导出了质能方程式：E=mc2。时间和空间、质量和能量，原本是这些概念是彼此独立的，质能方程式把它们紧密联系起来，从而颠覆了牛顿力学的传统观念。

在这个简单的方程式中，我们可以读出三条重要的信息：

第一，质量和能量在本质上是等价的，质量是静止的能量，能量是运动的质量；

第二，光速在这种等价性中，扮演了不可或缺的角色，它是宇宙空间中最特殊、最奇妙的速度；

第三，爱因斯坦的美学理念，他追求的是物理本质上的关联等价性，以及数学形式上的简洁直观性。

第二部分，质能方程给我们的世界带来了哪些改变？

一、GPS定位系统的运转，依赖于相对论。

对于高速运行的卫星，时间要比地球缓慢，要保持GPS卫星和多个地面观测站的时钟精确同步的话，就必须考虑相对论的修正效应。当你试图校准天上和地面上的时钟时，你就会发现，必须满足爱因斯坦的狭义相对论才行。如果没有相对论，每天都会积累巨大的定位误差，定位系统很快就不能用了。

二、重原子核的裂变，开启核能时代。

所谓重原子核裂变，一个典型的反应是，铀235吸收一个中子之后，转化成铀236；而铀236的裂变，除了释放出较轻的原子核，还释放出大量的能量，其实就是电磁辐射。不过，裂变反应不是轻易发生的，需要裂变物质达到一定的质量，铀235发生裂变反应的临界质量是50公斤，差不多一个足球那么大。一公斤铀核的裂变，释放出来的总能量高达80万亿焦耳，相当于完全燃烧掉两万七千吨优质煤所释放出来的光和热！所以核电是一种超级高效的能源，同时也是清洁能源。与原子弹爆炸不同的是，核电站发电让裂变过程变得稳定可控，而且一旦发生故障就可以关闭核反应堆。

核能的发现和使用，不仅是科技史上的一大步，同时也是政治军事史上的一大步。最具代表性的例子，就是1945年，美军投放到广岛和长崎的两枚原子弹，它们杀死了超过10万人，加速了第二次世界大战的结束。

三、利用轻原子核的聚变，人类可能拥有第二个太阳。

所谓核聚变，就是质量小的原子在高温高压条件下，原子核发生碰撞聚合到一起。在这个过程中，中子逃跑出来，释放出巨大的能量，这正是太阳发光发热的能量来源。

原子核聚变释放的能量也是氢弹爆炸的可怕威力所在，核聚变释放的能量比核裂变大得多。地球上一枚氢弹爆炸的话，发出的光在月球上都能看见。如果将核聚变反应变得可控，生产出我们可利用的电能，岂不是就有取之不尽用之不竭的能源？也就是我们设想的“人造太阳”。这大概还有很长的一段路要走，即便核聚变反应可以控制，也很难创造出反应发生所需要的条件。科学发展的进程是难以规划的，当人类社会进入高度文明阶段，核聚变或许会是成熟能源。

E=mc2，这个神奇的方程式告诉我们，质量和能量本质上是等价的，因此可以相互转化，世界就是按照质能方程在运行。在质能方程的基础上，人类创造了GPS定位系统、核电站、原子弹、氢弹，质能方程改变了这个世界，并且，这个改变，还将继续发生。