只能引入相对论才能研究其中的奥妙。能量与运动之间的关系,爱因斯坦相对论引出了一个惊人而又意义深远的结论:即使静止的物体也具有能量,只是被禁锢在了构成其本身的原子的内部。能量大小的值“E”可以表示为经典等式:E=mc,其中,m表示质量,c表示光速。这是物质的内在性质,与运动状态无关。

对于运动中的物体,总能量还必须包括其动能。你大概会自然而然地想,只需要把动能和质能(mc)加起来即可。这本身没什么问题,但当物体运动时其质量m会增加,导致mc也会变化。虽然计算这种总能量的过程非常烦琐,但是计算得到的运动物体的总能量E的结果却很简单。首先将动能的平方和质能(mc)的平方相加;其次,对这个和求平方根,就得到了所要的结果。下面举例,如果一个物体静止时能量为4焦耳,而运动起来后拥有了3焦耳的动能,那么总能量就是5焦耳(3的平方加4的平方,等于25;25开根号就等于5)。

对于这个总和,可以用一种形象的表示方式:画一个直角三角形,其每个边就可以和各个能量对应。三角形的底边代表质能(mc);竖直边代表动能。那么斜边就代表了物体的总能量。想想我们古人的口诀“勾三股四弦五”,我们就能很容易计算出运动中的物体的总能量E:总能量值的平方,等于质能(mc)的平方加上动能的平方。我们每走一步路,中间蕴含的能量是巨大的,(你的能量超乎你的想象这句话是有科学依据的)。

爱因斯坦相对论中关于能量本质的描述令人惊诧不已。首先,静止的质量物体内部具有能量mc。其次,即使没有质量的物体,比如以光速运动的光子,运动也会导致它具有能量。由于总能量守恒,所以一束光中的能量有可能转化成物质中禁锢的能量。该过程也可以反过来进行:一个负电子和一个正电子可以互相湮灭,其特有的能量会以光子的形式向外以光速发射出去。
光是最单纯的能量,而由单纯能量产生物质的这种事情看起来近乎神一般的操作。爱因斯坦的相对论,结合其中能量本质的深刻蕴含,暗示了在时间之初物质是如何创造出来的。
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