如何理解E=mc2

愛因斯坦在1905年發表的一篇革命性科學論文中提出了方程式E=mc2；其中E代表能量，m代表質量，c是光在真空中的速度。從那以後，E=mc2成為了世界上最著名的方程式。即使沒有物理學背景的人也至少聽説過這個方程式，並且知道它對我們所生活的這個世界產生的巨大影響。但是，很多人並沒有真正理解這個方程式的含義。簡單來説，這個方程式表示的是能量與質量的關係：實際上，能量和質量只不過是同一種東西的兩種不同形式。這個相對簡單的方程式改變了我們對能量的思考方式，幫助我們實現了大量的技術進步。

理解方程式

（01）定義方程式的變量。要理解一個方程式，首先要知道每個變量的含義。在本例中，E是一個物體靜止時的能量，c是光在真空中的速度。光速c在所有參考系中都是一個常數，大約等於每秒3.00x108米。在愛因斯坦的相對論中，c2更多的是用作一個單位轉換系數，而不是常數。因此，它的平方是量綱分析的結果——能量是採用焦耳或kg m2s-2來計量，所以增加c2可確保能量和質量之間的關係在量綱上是一致。

（02）理解能量的含義。能量有很多形式，包括熱能、電能、化學能、核能等。能量是通過從一個系統獲取力量，並作用到另外一個系統，來實現在不同系統之間的轉移。能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能轉換形式。例如，煤含有大量的能量，可以在燃燒時轉換成熱能。

（03）定義質量的含義。通常質量是定義為一個物體的物質的量。質量還有其它一些定義。有“不變質量”和“相對論質量”。不變質量是無論處在什麼參考系中都不會變化的質量。而相對論質量卻取決於物體的速度。在方程式E=mc2中，m指的是不變質量。這是非常重要的，因為這意味着在加速的過程中，質量不會增大，這和我們通常的觀點是不同的。理解質量和重量的差別是非常重要的。重量是一個物體感受到的重力，而質量是該物體中物質的量。只有在物體發生物理變化時它的質量才會改變，而重量會隨着物體所處重力環境而改變。質量是用千克（kg）計量，而重量是用牛頓（N）計量。和能量一樣，質量既不能憑空產生，也不會憑空消失。例如，冰塊可以融化成液體，但是兩種形態的質量相同。

（04）知道質量和能量是相等的。此方程式表明質量和能量是同一種東西，並且告訴我們在特定數量的質量中含有多少能量。實際上，此方程式説明了很小的質量中含有很大的能量。

將方程式應用到現實世界中

（01）理解可用能量從哪裏來。我們大多數可消耗的能量來自於煤和天然氣的燃燒。這些物質的燃燒是利用了它們的價電子（原子最外層的不成對電子），以及它們與其它元素產生的鍵。在加熱時，這些鍵斷開並釋放能量，為我們的社會提供動力。以這種方式獲得能量不是特別高效，並且對環境的影響比較大。

（02）利用愛因斯坦方程式使能量轉換更加高效。E=mc2告訴我們原子的原子核中儲存的能量要比它的價電子多很多。分裂原子釋放的能量要比斷開電子鍵釋放的能量大得多。核能就是以這個原理為基礎。核反應堆促使產生裂變，並捕獲其中釋放的巨大能量。

（03）利用E=mc2使得這些技術的發現成為可能。E=mc2已經幫助創造了很多令人興奮的新技術，如果沒有其中一些技術，我們的生活將難以想象：PET掃描可以利用放射現象檢查人的身體內部。此方程式幫助實現了人造衞星和探測車的通信開發。基於此方程式的碳同位素年齡測定利用放射性衰變判定古物的年齡。核能為我們的社會提供了更清潔和更高效的能源。