质检之质能方程——为什么偏偏是光速的平方

接着你我又来到了另一座大厦的前面,在众多大厦中它或许并不是最高的,但它那简洁的建筑风格堪称经典!它就是爱因斯坦的质能方程大厦。

当你我看到这座大厦时都惊呆了!

E=mC^2      (E为能量,m为质量,C为光速)

质量和能量之间竟有着如此简洁而美妙的关系!不仅如此,它还与观测结果相当吻合!因此,这个方程当之无愧地成为十大最伟大的公式之一,位列第五。

我们深深地被它所吸引了,迫切的想知道它所蕴含的意义是什么,它告诉了我们什么?它的物理意义是什么?它为什么是这个样子,而不是别的样子?C的平方也就是光速的平方,光速我们都知道,但光速的平方是什么意思?能量和质量之间为什么会与它扯上关系?为什么偏偏是光速的平方而不是立方或者别的?

但我们查了很久都没有得到令人信服满意的答案,难道是上帝规定的,它就是如此,没有原因,没有为什么!于是我们查看了他的推导过程,具体过程这里就不给出了,因为很多人看到太多的公式就会头晕。我们发现他用到了微积分极限求值的方法,用到了约等号,也就是说这是一个近似值,方程左右两边并不是严格的相等,他不是从物理意义出发推导出来的,而是运用了一种非常强大,非常巧妙的方法得出一个极极近似的解。

就像以前我们不知道如何求圆的面积,但我们发现:在已知的圆内画它的内切正多边形,当这个内切正多边形的边数n越大时,它的面积就越接近于圆的面积,而我们已经知道正多边形的面积公式,令n等于无穷大,利用穷竭法极限求值,我们就可以得到圆的面积。

随着正多边形边数n的增加,正多边形的面积逐渐接近于圆的面积

可以说这种方法对我们的帮助非常大,为我们解决了很多令人头疼的问题,但后来我们并没有用这个方法来计算圆的面积,因为它无论多接近,得出的仍然只是一个近似值,极极接近却又不等于。

我们不能说这种方法是错误的,相反,我们很多时候都要用到这种方法,这种方法帮助我们解决了大量的问题。但这显然不是它真正的物理意义,我们知道求圆的面积还有另一种方法:转化法。把圆转化为四边形,因为我们有四边形的面积公式。

我们先将圆分割成32等份,然后把它们拼成一个四边形看看:                         


我们发现四边形的底边是由圆周长的一半所构成,而四边形的高是圆的半径,当然,现在这个四边形并不是一个很规则的四边形,因为它的底边还不够直。当我们把圆分割成无穷多份,那每一份将是一根没有粗细的线段,也就是圆的半径,这时所拼成的四边形将是一个完美的长方形,长等于圆周长的一半(C/2),宽等于圆的半径R。那这个时候圆的面积就完全等于这个长方形的面积,而长方形的面积是长乘宽:S=(C/2)R。我们又已经知道C=2πR,所以S=πR^2,这就是我们现在所用的圆的面积公式。

前一种方法是令内切正多边形无限接近于圆,但无论怎么接近,它仍然不是圆本身。后一种方法是将圆本身无限分割,把它转化为四边形,它本身就是圆,所以后一种方法应优于前一种方法。但这其实仍然是一个近似值,只是我们把它的精确度转嫁到了π里面,方程左右两边是完全相等的,但我们却无法完全确定,我们要更精确的值只能把π求得更精确。当π无限精确的时候,误差将无限接近于0,我们将得到一个恐怖的精确值。也就是说用前一种方法所得的值误差已定,而后一种方法却可以根据需要调节误差的大小,达到你所需要的精度!

那我们求质能方程时是不是也可以运用这种转化法呢?

我们已经知道:光没有静质量。也就是说光其实相当于一种纯能量!如果我们能把有静质量的物质转化为光,实际上就是把质量转化成了能量,通过对比它们之间的转化关系就能得到我们所想要的质能方程!

说起来容易,怎么转化呢?

现在给你一箱乒乓球,问你这箱乒乓球值多少钱?怎么办?关键是找到乒乓球与钱之间的关系,也就是一个乒乓球值多少钱,一个乒乓球的单价是多少?搞清楚了这个关系,再多的乒乓球我们都能很轻松的算出它们的价钱。

质能关系其实很简单,质量就相当于有多少乒乓球,能量就相当于能卖多少钱,关键是找到它们之间的单价是多少!

假设我们现在有数量为M的乒乓球,单价为X,把它们全部卖光,能得到多少钱(E)呢?数量M乘以单价X,则得到价钱E,用公式表示为:

E=MX

你竟然看懂了!那恭喜你,你已经有了做老板的潜质。

我们再假设最小的有静质量的粒子其质量为1(一个乒乓球),正常情况下它刚好用一秒钟全部转化成了光,那么我们就说质量1与这一秒钟发出的光(能量)等价。假设这一秒钟发出的光为X,则1=X(一个乒乓球的单价)。由于1是最小的一份质量,所有的物体必然都由1的整数倍所组成。一箱乒乓球不管你有多少个乒乓球,一定是一个乒乓球的整数倍,不会有半个乒乓球。所以,质量为m的物体,它就有m份质量为1的最小粒子。

因此,质量为m的物体,以“单价”为X转化为光(光化),得到的光(能量E)可用公式表示为:

E=mX

现在关键是找到单价X,也就是这一秒钟的光是多少呢?这里的一秒钟只是一种简化,跟上面的最小的粒子质量为1一样,也可以用1表示,意思是说最小的一份质量转化成的一份光(一个乒乓球对应的一个单价)。

我们知道光速为C,一个发光点发出一秒钟的光,光可以达到以C为半径的整个圆球范围。(当然是没有阻挡的情况下)

我们知道圆球的体积公式为:V球=(4/3)πR^3

半径为C,所以这个“光球”的体积为:V光球=(4/3)πC^3

难道E=m(4/3)πC^3

爱因斯坦错了!!!

别着急!我们先来做一个实验:

夜,没有月,我们在黑暗中划了一根火柴,光明马上来到了我们眼前,很亮。火灭了,你站着别动,我跑到一百米开外再划一根火柴,你依然能看到光,但很微弱。火又灭了,你继续站着别动,我又跑到离你更远的地方划一根火柴……

重复着上面的动作,你看到的光越来越暗,到最后你会一点光都看不到!

这个实验说明什么?说明我们看到光的亮度在于光子进入我们眼睛的数量。相同的光源,距离光源越远,光子的数量越少,越稀薄。

当然,我们的空气中有很多微粒,有一些是撞到别的微粒反弹掉了,但这并不是关键。在太空中没有什么微粒,相当于真空,不会有微粒把光子反弹掉。但当你坐着高速飞船离太阳越来越远,你依然会看到太阳越来越小,越来越没那么刺眼,最后变成就像我们所看到的星星,直到看不见。

做这个实验的目的是为了说明,一秒钟所形成的那个“光球”是不均匀的。就好比地上洒了一滩水,我们没办法知道是多少体积的水,但如果我们能把它装到一个有刻度的容器中,那我们就能很清楚的知道这是几升的水。又好比我们现在有一张纸币,这张纸币被撕碎了,撒在这“光球”之中,使我们无法知道这纸币的面值是多少,怎么办?

当然是把它复原,变成一张均匀的,可识别的纸币。我知道这很难,但我们不要被吓倒好吗,好的。

先去休息一下,放松放松。

西湖的风景很美,无风,湖面平静,宛如一面镜子。突然,一个苹果掉入湖中,激起一圈又一圈的水波,由小到大,由强到弱,随着时间,向四周扩散开去。

突然想到什么:如果从苹果接触水面开始,波随着时间的推进,在时间轴上不正好是一个圆锥吗?水波是均匀的、连续的!

说均匀就算了,你竟然说是连续的!你难道不知道量子力学已经证明了这个世界不是连续性的吗?

关于连续性后面还会具体讲,这里只举个例子:据报道某地连续下了几天的雨。这雨真的一直下没停过吗?一小时?一分?一秒?万分之一秒?总是有“停”过的,要不然就不是下雨,而是下海啸了。

但是按“天”来说,它是连续的,因为每天都有下,哪怕每天只是下几分钟,所以我们说连续下了几天雨并没有错。同样,在时间轴上,就水波来说它是连续的。

那么,光是否可以转化为像水波这样在时间轴上是均匀的、连续的圆锥呢?

可以,光之所以可以从发光点向四面八方传播,那是因为光没有静质量,它不受重力的影响(或者说一般天体对它的影响微乎其微,只有质量极大的天体才对它有比较明显的影响)。如果一个苹果“掉”在太空中的一团水里,水也会像光一样不均匀、不连续的向四面八方传播。

现在我们假设它会受到影响,只能在一个平面上传播,那它将会像水波一样变得均匀、连续起来,就像我们看到的水波,在时间轴上刚好是一个圆锥,我们称之为光锥,当然,速度是不变的。

把一份渐变光球转化为一份均匀光锥

把一份一秒钟不均匀的渐变“光球”,转化为一份一秒钟均匀的“光锥”。在不均匀的渐变“光球”中,你离得远和离得近所看到的亮度是不一样的。在均匀的“光锥”中,你离得远和离得近所看到的亮度都是一样的。

圆锥的体积公式为:V锥=(1/3)π(R^2)H             

一秒钟光锥的底面半径为C,高H就是时间T=1,所以这个光锥的体积为:V光锥=(1/3)πC^2

这个光锥里的光不但是连续的,还是均匀的。这样我们就把一份圆球形的不均匀的渐变光,变成了一份圆锥形的均匀的光。把洒在地上的不规则的水,装在了一个能量出它真实体积的容器中。把一张撕碎的纸币重新还原了起来,这张“纸币”现在就变得有意义了,我们可以用它来兑换商品了。

不过你还是有疑问:如果这最小的一份质量转化为光,它所发出的光不是一秒,而是0.5秒或者2秒什么的,那又怎么办呢?

这其实不是问题,根据普朗克得出的量子公式,单个光子的能量E=hν,我们可以调节它发出的光的频率,让它刚好在一秒钟内全部转化为光就行了。这就好比一个乒乓球的单价是一块钱人民币,如果它不是一块钱而是七块钱怎么办?那换一张一块钱的美元就行了(假设一美元刚好可兑换七块钱人民币),反正总能找到一个频率使得它刚好可以进行一比一的转换。我们就是要做到使一张纸币刚好可以兑换一个乒乓球,这个光锥只是我们的一个容器,一张纸币,一个标准。就像各国货币与美元或者黄金进行挂钩,形成了一个标准,方便彼此之间的兑换,一美元和七块钱人民币是一样的,不影响价值。

这就是我们要找的那个X!

X=(1/3)πC^2

而E=mX

于是

E=(1/3)πmC^2

这个公式告诉我们:一个有静质量的物体,通过“光化”(辐射等),可以释放出能量,而能量通过某种途径也可以转化成有质量的物体。从这个公式中我们可以看出为什么是光速的平方,而不是立方或者别的什么,一目了然。原来它是有来历的,它并不是“我就是这样”,没有任何理由,没有为什么。万物皆有因,我们不知道其所以然,只能说明我们没有看透,而不是它原本就如此,没有为什么。

质量和能量之间的关系就是它们之间相互转化的关系,一个质量为m的物体能转化为多少份(1/3)πC^2光锥的光,它就具有多少份这样的能量。现在我们也能清楚的看出了为什么是光速的平方,而不是立方或者别的,它既不是上帝规定的,也不是偶然,它有着实在的物理意义,它和(1/3)π一起,代表了质量转化成的一份均匀能量的体积,能量与质量间的“单价”关系。

可是,可是,这方程好像和爱因斯坦的不太一样!

是的,它比爱因斯坦的E=mC^2多了个(1/3)π,π的值是3.14159……,(1/3)π就是1.0471966……非常的接近。但我们没有用到微积分,没有用到那些复杂的公式,不需要进行复杂的推导。

爱因斯坦的方法就像求圆面积的第一种方法一样,可以称之为填充法。就是让一个正多边形去填充那个圆,让这个正多边形的边尽可能的多,使得它能尽可能的填满那个圆。当无限接近的时候,我们假设它填满了,但即使填满了,也只是填满了这个圆的内部,它仍然有一条边,也就是你画这个圆的那条线。不管这条线有多细,它还是存在的,它也是圆本身,是圆的一部分,在求更精确的值时,那它就是不可忽略的。而第二种方法——转化法,就是把这条边也算了进去,所以它就是圆本身。

我们再举个例子,就像我们要计算一个瓶子的体积,我们用水装满它,再把水倒入一个有刻度的容器中,就可以得到这个瓶子的容积,这很接近于这个瓶子的体积,但却忽略了瓶子本身的部分,容积不等于体积,这就是填充法。我们应该把这个瓶子盖上盖子,把它浸入那个装满水有刻度的容器中,容器中少掉的水的体积就等于这个瓶子的体积,这就是转化法。它把瓶子本身也算进去了,所以得出的结果会更接近于瓶子的体积。

但结果仍然存在一个π,π它本身是确定的,但我们却无法完全确定它。π代表了某种极限,它和光速、绝对零度相似,是我们可以无限接近,却永远无法达到的极致。

在十大最伟大的公式中,π是用到最多的,几乎每个公式中都会有它的身影,因为很多公式等号的左右两边是无法划等号的。要么你只是一个近似值,要么你就要引入π,把误差转嫁到π中。

这个公式和爱因斯坦原来的公式是非常接近的,当我们对精度的要求不是太高的时候,完全可以用爱因斯坦原来的公式。当我们需要更高的精度时就要用到这个公式,这才是真正的质能公式!从我得到的一些实验数据检验结果来看,这个公式确实比爱因斯坦的公式更接近于观测值。

看了这个方程的物理意义还是会让人有一些疑问,比如:炸弹爆炸,并没有转化为光,那巨大的能量从哪里来?

我们生活中看到的那些有质量的物体都是有辐射的,包括我们人。辐射分为粒子辐射和电磁辐射两种,粒子辐射其实就是辐射出某种微粒,本质是增加表面积,释放出能量(更多的光化)。

电磁辐射就是辐射出电磁波,也就是光。我在说到光的时候通常不限于可见光,而是包括所有的电磁波。所以,电磁辐射就是“光化”——转化为光(电磁波)。而辐射的量与物体的表面积是息息相关的,相同的物体,其它情况相同,表面积越大,则辐射的量越大。比如一壶开水,你放在那里久久都不能冷却,而我把它倒在十几个碗中,增大它热辐射的表面积,它很快就冷却了。

再来说那炸弹,本来只是那么一点小小的体积,表面积很小。爆炸后变成无数的微粒,相当于一壶开水一下子倒在无数的碗中,它的表面积一下子增加到很大很大,所释放出的辐射(能量)当然是巨大的!而爆炸完后,它和周围的环境达到了平衡,就不再具有爆炸时的威力了,就像开水和周围的温度持平不再热了。

当然,一般的炸弹威力还不是很大,因为它光化的量还比较小。像核武器威力可就大了,因为它的光化率很高。什么叫做光化率?光化率也就是光的转化率,单位时间内转化成光(能量)的比率。相同质量的物体,在相同的时间内,光化率越高,所释放出的能量就越大!

光化率=(光化量/时间)/质量

核武器已经很厉害了,但还有比核武器更厉害的!我称之为“瞬间成光弹”!瞬间成光弹是一种光化率为百分之百的炸弹!

瞬间成光弹的原理其实很简单,就是物质与其反物质的湮灭。我们都知道物质与其反物质相遇会发生湮灭,释放出无比巨大的能量。湮灭其实就是光化,是百分之百的光化,而且光化过程只是一瞬间,所以释放出的能量是无比巨大的!

假设某物质与其反物质的总质量为M,它们相遇发生湮灭,成为瞬间成光弹,所释放出来的能量,根据我们的方程为:

E=(1/3)πMC^2

我们的太阳每秒钟能转化出非常多的光,释放出极大的能量。还好它不是瞬间成光弹,据说太阳大概能像这样发光一百亿年,如果如此巨大的天体变成瞬间成光弹,一百亿年发出的光集中在一秒钟全部发出,那威力是难以想象的!

汽车尾气的污染很严重,那是因为光化率不高。没有不清洁的能源,只有光化率不高的能源。

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