质能公式E=mc² 是否意味着：只要一个粉笔头,就有能烧开够地球人100年喝的开水的能量？

试试语音读文章

热门回答：

质能公式E=mc² 是否意味着：只要一个粉笔头。就有能烧开够地球人100年喝的开水的能量？

质能公式是如何推导出来的

在爱因斯坦提出狭义相对论以后。物体的质量就变成了一个相对的概念。既把物体的惯性质量等效于引力质量。认为物体的质量会随着速度的增加而增加。运动速度越快。物体的质量就会越大。当速度达到光速时。其质量就会变得无穷大。这里面提到的物体在运动过程中的质量。就是物体的运动质量。这种物体的速度和它的运动质量之间的关系。可以用如下的表达式进行换算：

m=m0/√（1- v^2/c^2）。

在此基础上。我们将物体的动量。用上述运动质量关系式进行表达：

p=m0*v/(√(1-v^2/c^2))。

然后。由动能定理和定量定理以及它们的关系。继续进行推导：

dE=F*vdt=v*dp=m0*v*dv/(1-v^2/c^2)^(3/2)

最后对上式进行积分。并化简得出最终结果：

这就是大名鼎鼎的质能方程。它的本意体现的是物体在不同惯性参照系内。物体所包含的能量与质量差异之间的关系。

质能公式中质量和能量的含义

对质能方程的误解

以质子和中子聚变为氘核这个变化来看。我们将能量的释放以光子进行体现。那么根据质能方程。在反应前。系统内的总能量为E质子+E中子。对应的表达式为E前＝m质子*c^2+m中子*c^2。反应后系统内的总能量为E氘+E光子。对应的表达式为E后＝m氘*c^2+m光子*c^2＝m氘*c^2+hv*c^2。那么对应的能量守恒关系为：

m质子*c^2+m中子*c^2＝m氘*c^2+hv*c^2。

那么我再来化简一下即可得出：m质子+m中子＝m氘+hv。

我们可以看出。正是由于光子无静止质量、有运动质量。在整个系统来看。质量并没有发生亏损。而是变化的质量全部转化为光子的运动质量了。因此核变过程同样遵守着能量守恒定律。也就是说。辐射能的产生。并不是由质量转化而来。而是由静止质量转化获取。

总结一下

对于一个物体来说。按照狭义相对论。我们不能说它具有多少的质量。就能转化为相应的能量。质能方程表达的不是“转化”的概念。而是质量和能量的“对应”关系。质量和能量不可以割离开来进行考虑。所以。“一个粉笔头。具有能烧开够地球人100年喝的开水的能量”这种提法。是非常不准确的。核心问题是它将物体的质量与能量看作了两个独立的标量。

其他观点：

1905年。爱因斯坦发表了4篇具有开创性的论文。最后两篇就是后来的狭义相对论。其中第二篇是第一篇的补充。探讨的是质量和能量之间的关系。并且提出了著名的质能方程E=mc^2。

这个方程让我们知道物质是蕴藏着丰富的能量。如果能够让物质实现完全转化。那么物质释放出来的能量就等于质量乘以光速的平方（mc^2。其中光速是3*10^8m/s)。所以。通过质能方程。我们就会发现。只要一点点的质量。就可以释放出巨大的能量。一直以来。都有个说法：只要一个粉笔头。就有能烧开够地球人100年喝的开水的能量。那这个说法靠谱吗？

物质能完全转化成能量的形式吗？

按照质能方程来看。物质里确实蕴含了大量的能量。可问题是。我们很难把一根粉笔完全转化成对应的能量形式。按照目前的物理学理论。如果要把物质完全转化成能量。就需要让物质和它的反物质发生湮灭。比如：正电子和电子进行湮灭。就可以获得到完全的转化。

可是我们要知道。粉笔是由原子构成的。而原子又是由原子核和核外电子构成的。原子核是由质子和中子构成的。而且构成粉笔的原子数量超级多。而我们在宇宙中能够找到的反物质都是属于少量的反物质粒子。比如：在一些高能的宇宙射线中。找到电子的反物质粒子正电子。

要制造出一个粉笔的反物质是几乎不可能的事情。因此。也就不可能通过湮灭的方式来实现能量的完全转化。

假设我们忽略这些。并且找到了办法。可以制造出粉笔的反物质。那制造出来的这些能量是不是够烧开地球人100年喝的开水的能量？

如果我们按照一根粉笔是2克的重量来算。那么根据质能方程。2克的粉笔完全转化成能量就是1.8*10^14J。

而如今全球人口大概是70亿。每个人每天正常的饮水量是1500到2500毫升。我们就按照2L来算。如果都是把水从25度提升到100度。那么根据公式。我们计算得到一个人一天烧开水所需要的能量E是630,000J。那么70亿人365天烧开水所需要的能量就是1.6*10^18J。100年所需要的能量就是1.6*10^20J。

也就是说。即便是把粉笔全部转化为能量。这个能量要比全球人口100年烧开水所需要的能量小6个数量级。把粉笔的能量全部转化成能量仅仅能供给5000人100年烧开水所需要的能量。如果要供给全球人口100年烧开水所需要的能量。那大概需要把10万根粉笔完全转化成能量。但这也是忽略了科技水平是不是可以达到这个水准。

核聚变反应

很多人会说。既然湮灭这条路没法做到。有没有可能用核聚变反应的方式？

在核聚变反应中。氢元素的核聚变反应是最高效的。反应前后也仅仅只有不到1%的质量以能量的形式市释放出来。意味着这比用湮灭的效率低了2个数量还要多一点。

而粉笔的主要成分是硫酸钙。并不是氢。因此。即便是我们想尽一切办法让粉笔进行核聚变反应。这个效率也会远远低于氢元素的核聚变反应。因此。这样的效率就会更低一些。假设完全湮灭的能量都完全不够。更不要说这种低效的核聚变反应了。因此。核聚变反应这条路也是行不通的。目前来看这条路径的技术也依然是达不到的。那还有什么办法？

把粉笔扔进黑洞

人类在发射深空探测器时。发射出的探测器速度并不快。但科学家想到了利用大型天体引力弹弓的特点来给飞船加速。比如：在科幻片《流浪地球》中。电影里的地球人也想利用木星的引力弹弓效应来给“流浪地球”加速。

大型天体的引力是可以给做功的。如果我们找一个引力巨大的天体。然后从这个天体上往下丢粉笔。那么粉笔在掉落过程中。引力势能就会转化成其他的能量。比如。如果我们在地球上扔铅球。铅球会在地上砸一个“坑”。这个“坑”就是铅球引力势能转化成物体的动能导致的。

如果我们选择“黑洞”来释放粉笔。而且是把粉笔碾碎朝着黑洞扔。那在粉笔灰掉落到黑洞时。由于黑洞的引力巨大。因此。就会巨大的引力势能被释放出来。这些引力势能最终会引电磁辐射和中微子辐射释放出来。然后我们拿一个接收器把这些能量接收下来就可以。

在这个过程中。释放出来的引力势能可以达到完全湮灭时的10%左右。要比核聚变反应更加高效一些。如果我们可以把100万根粉笔碾成渣。朝着一个黑洞抛过去。并且可以把这些能量都回收。那么这些能量就会够全球人口100年烧开水所需要的能量。

其他观点：

“根据狭义相对论。质量和能量是同一事物的不同表现形式。对于普通人来说。这是一个比较陌生的概念。”——爱因斯坦

这个说法其实就是相对论里的质速关系。而这个质量的增加其实就是物体动能的增加所变现出来的物质总能量的增加。而不是真的质量会增加。因为质量这个物理量是一个物体所固有的本质属性。并不会因为运动速度的变化而变化。

其中化学反应和核反应是物质释放能量的过程。而在粒子加速器中是我们人类目前人为用能量创造物质的过程。例如。我们同时加速两个质子使其达到非常接近光速的速度。那么这两个质子除了自身的静止质量以外。也会拥有非常大的动能。如果将这两个质子相撞。我们就会得到三个质子和一个反质子。如果我们把创造出来的粒子的动能加起来。就会发现它们所拥有的动能要比之前两个质子的动能小的多。那么损失的动能去哪了？其实就是转化为了物质。也就是一个质子和一个反质子。这个损失的能量就等于质子和反质子的质量乘以光速的平方。

这就是能量创造物质的过程。下面再说物质质量到能量的转化过程。

先说下化学反应

因此我们当时也认为物质的质量是守恒的。这其实是我们科学发展阶段认知的局限性。现在我们知道。化学反应只会发生在原子的电子层面。而决定原子种类、数量的原子核并不会在化学反应中发生反应。不过原子外层电子结合方式的改变。也就是化学键的断裂和重组是化学反应中释放能量的关键。在这个过程中能量的释放。也会让物质损失极小的质量。一般很难察觉。因为毕竟损失很少的质量乘以光速的平方。就会带来非常可观的能量。

不过粉笔的主要成分为碳酸钙（石灰石）和硫酸钙（石膏）。或含少量的氧化钙。硫酸钙十分稳定。不宜发生化学反应。碳酸钙、氧化钙可以和酸、水发生反应。不过这点物质所发生的化学反应释放的能量微乎其微。基本可以忽略不计。

再说下核反应

粉笔的成分我们刚才已经说了。其中包含碳、氧、钙、硫元素。这些元素都在铁元素以下。这说明它们可以继续通过聚变的形式释放能量。不过聚变生成的元素越重。释放的能量也就越小。而且我们人类目前也没有掌握可控的核聚变。随意想要通过核能利用粉笔中蕴含的能量是行不通的。

不过还有希望。反物质湮灭

而且正反物质之间的湮灭是瞬间发生的。无法进行有效的控制。能量集中快速的释放会给地球造成毁灭性的灾难。以广岛原子弹爆炸为例。其损失质量约为0.6~0.7g。就造成了数十万人的死亡。而一枚粉笔大概重200克。你仔细品品！

总结下

通过物质损失质量来释放能量是我们人类获取能量的方式。而我们现在还局限在化学能源上。核能也没有完全的掌握。所以理论是美好的。现实往往很残酷。

• 准备与好友合伙做生意,开什么店合适？
• 想开个店,开什么好呢？资金不多,刚刚创业。谢谢？
• 有什么行业适用于初创业？
• 刚入社会的人想开店,最好开一家什么店？
• 什么类型的项目适合刚创业的人群呢？

以上就是由互联网推广工程师 网创网 整理编辑的，如果觉得有帮助欢迎收藏转发~