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4.E=mc2的应用: 震惊世界的原子弹

相对论一个非常重要的推论是质量和能量的关系,即爱因斯坦的著名公式E=mc2。这个物理学中最被大众熟知的公式,最终创造出了原子弹。


质量和能量

在牛顿经典力学中,质量和能量之间是相互独立、没有关系的。这种科学认知直到爱因斯坦提出相对论才被打破,在相对论力学中,质量和能量之间有着紧密的联系。爱因斯坦认为,质量和能量只不过是物体力学性质的两个方面而已。

光速与质能等效关系

质量和能量的等效关系有一个前提,即爱因斯坦提出光速对于任何人而言都显得相同,也就是说,没有任何东西运动比光还快。因此,著名的质能等效公式中,光速c是中间最重要的物理常数。

当人们用能量加速任何物体时,例如航天火箭,实际上发生的是航天火箭质量增加,使得对它进一步加速变得更加困难。因为要把航天火箭加速到光速需要消耗无限大能量,所以是不可能的。

爱因斯坦将能量和质量的关系联系到一起,并建立了一个近乎完美的公式,从科学发展角度看,它的贡献非常巨大。但在另一方面,质能等效理论也为后来诞生的破坏性核武器,创造了理论基础。最初,这项实验是由铀原子核裂变所产生的。

铀原子核裂变过程

核是由质子和中子被强力捆在一起构成的。但其中的显著特点是,核质量总是比组成它的质子和中子的各自质量之和小。这个差决定了核裂变过程,会释放巨大的势能,产生核武器毁灭性的爆炸力。

一封关于核研究计划的信

1939年,由于法西斯联盟的残忍和侵略野心,第二次世界大战已迫在眉睫。众多意识到这一深刻问题的科学家,说服爱因斯坦放弃其和平主义主张,以他的科学权威给美国罗斯福总统写一封信,要求美利坚合众国开始核研究计划。

致罗斯福总统的信函

“在最近的4个月里,通过法国的约里奥以及在美国的费米和西拉德的研究,似乎在大量铀元素中可能建立核子连锁反应,由此可以产生巨大的功率以及大量的新的类镭元素。现在几乎可以肯定,在最近的将来就能立即实现这一切。

这种新现象也会导致制造一种新型炸弹,那是一种极其强大的炸弹,这是可以想见的,虽然比前面所说的不确定得多。”

由于原子弹巨大的破坏性威力,许多人将罪责归结到爱因斯坦身上,认为是爱因斯坦创造了原子弹。然而,原子弹的产生跟爱因斯坦并没有任何关系,他没有参与美国的核研究计划。有人将原子弹归咎于爱因斯坦发现了质能关系,无异于将飞机失事归咎于牛顿发现了万有引力,火车事故归咎于瓦特发明了蒸汽机。

爱因斯坦与爱好和平的人


事实上,爱因斯坦一直奉行和平主义原则。在他的一生中,经历了两次世界大战,在一战中爱因斯坦成长为绝对和平主义者,他反战完全源于对人类的责任和正义感。到了1939年,他深刻认识到希特勒领导的纳粹集团的侵略野心,“当必须保卫法律和人类尊严时,我们必当挺身而出。当法西斯危险到来,我已不再相信绝对被动的和平主义。只要法西斯主义统治欧洲,就不会有和平。”

曼哈顿计划

美国于1942年6月正式开始曼哈顿计划,利用核裂变反应来研制原子弹,该计划几乎集中了当时西方国家所有最优秀的科学家。罗斯福总统赋予这一计划以“高于一切行动的特别优先权”,并于1945年7月成功地进行了第一次核爆炸,在日本的广岛和长崎投掷了两枚原子弹。

爱因斯坦本人并没有参与曼哈顿计划。事实上,在“二战”后期,爱因斯坦认为核研究计划已经没有继续进行的必要,他向美国政府提出,停止研发原子弹,并且不要向世界任何一个国家使用原子弹。当时,美国新任总统杜鲁门并没有听取爱因斯坦的建议。

当爱因斯坦得知日本原子弹爆炸的消息后,他对美国这一行动感到震惊。因为原子弹爆炸,不仅会造成数以万计的无辜平民死亡,而且会对当地环境造成无法挽回的破坏。

日本原子弹爆炸