E=mc²,史上最出名的物理公式之一,揭示了物体所含能量与其自身质量的本质关联,如果说爱因斯坦和相对论之所以有这么大名声,这个公式的贡献得占一半。
名声大归名声大,有些朋友在仔细思考这个公式后有了这样的疑惑:
质能方程揭示了能量与质量的关系,可为什么在公式中的系数一定要是光速的平方呢?我知道光速是一个常数,但为什么非要平方,而不是什么立方之类的呢?
实际上这样的疑惑并没有什么价值,甚至可以说是无用的,为什么这么说呢?很简单,如果你采用几何单位制,那么质能方程就直接变成了E=m,光速c连个影子都没有出现,因为在几何单位制中,光速c的值为1,利用这种单位制,使得质能方程的含义更加一目了然。
可能有些朋友又要反驳了,你转化单位制只是取巧而已,从国际单位制到几何单位制,虽然样子变了,但少掉的光速只是化作另一种形式埋藏在公式里,而现在我只想知道为什么质能方程会出现光速,为什么在国际单位制中还是以光速平方出现的?
既然如此,那么只能用狭义相对论去解释了,因为质能方程本身就是狭义相对论的推论之一,而光速这一物理量在狭义相对论中具有特殊地位,因为建立狭义相对论的两大基础之一就是光速不变原理。如此说来,如果要讲的一清二楚,那我们相当于要讲狭义相对论从头开始推导才行,然而这显然不适合在科普文章中出现,因此我们必须先找一个共同承认的认知基础,然后在此基础上进行推导,这样既不失严谨,也不会显的过于繁杂。
那么这个共同的认知基础是什么呢?没错,就是狭义相对论的质增效应,也就是我们平常所说的物体运动速度越快,其质量就变的越大(当然了,这样的表述纯粹是为了科普而言,不过我们也没必要纠结,大概意思对即可)。
首先,我们得先承认质增效应是存在的,合理的,那么在此基础上我们对一个运动物体的动能进行推导,物体由静止出发,利用动能是力与位移的乘积这一点,具体过程如下图所示: