?牛頓、愛因斯坦和相對論，幫你刷新世界觀。
書名：《改變世界的方程：牛頓、愛因斯坦和相對論》
作者：[德] 哈拉爾德·弗里奇
今日解讀：邢志忠
解讀人簡介：中國科學(xué)院高能物理研究所教授，本書譯者
播音：裴喜
策劃編輯：陳艷
音頻編輯：陳子夫
01 聽前思考
什么方程能夠改變世界？
在改變世界的方程背后，有著什么物理思想？
這個方程為世界帶來了哪些改變？
02 書中金句
在科學(xué)和技術(shù)上，沒有理由做絕對的、無可置疑的聲明。
科學(xué)是一項嚴(yán)肅的事業(yè)，嚴(yán)肅得不能只留給科學(xué)家來處理。
只要我們設(shè)法非常節(jié)儉地使用我們的能源和原料，包括核能，人類文明就能夠在我們這個星球上延續(xù)下去。我相信這是我們唯一的出路。
03 精華筆記
要說世界上最著名的物理學(xué)家，毫無疑問，那就是愛因斯坦。愛因斯坦的最大貢獻(xiàn)在于提出了相對論，并由相對論推導(dǎo)出質(zhì)能方程：E=mc2?！陡淖兪澜绲姆匠獭愤@本書講述了關(guān)于質(zhì)能方程的故事。
本書作者弗里奇是德國理論物理學(xué)家，師從海森堡教授。同時也是一位很有成就的科普作家，作品被譯成多種文字，影響了整整兩代人。
這本書的基本架構(gòu)是讓牛頓和愛因斯坦穿越到現(xiàn)代，加上作者本人的化身——哈勒爾教授，三個人一同探討科學(xué)問題。這三個人的身份，恰好代表了物理學(xué)的三個發(fā)展階段：經(jīng)典、現(xiàn)代，再到當(dāng)代。其中牛頓的角色是學(xué)生，愛因斯坦的角色是老師，而哈勒爾則相當(dāng)于助教。
關(guān)于這本書，我們探討了兩個問題，質(zhì)能方程是什么？以及，它是怎么改變世界的？
第一部分，質(zhì)能方程是什么？
在中學(xué)物理課，我們學(xué)過相對性原理，這是牛頓力學(xué)的核心思想之一。1864年，麥克斯韋提出了電磁理論。這與相對性原理產(chǎn)生了矛盾。 這時愛因斯坦登上了歷史舞臺，他打破了絕對空間的思考框架，提出了相對時間與相對空間的概念，也就是愛因斯坦在1905年創(chuàng)建的狹義相對論，并用狹義相對論的思維推導(dǎo)出質(zhì)能方程。
不同于牛頓，愛因斯坦認(rèn)為：存在不同的參考系，就存在相對不同的時間和空間，兩者交織在一起，形成了“時空”的概念。
狹義相對論背后有什么基本原理呢？
第一個是相對性原理，在所有參考系中，物理學(xué)規(guī)律都是一樣的；
第二個是光速不變原理，在所有參考系中，真空中的光速恒定不變。
根據(jù)這兩條原理，愛因斯坦推導(dǎo)出了質(zhì)能方程式：E=mc2。時間和空間、質(zhì)量和能量，原本是這些概念是彼此獨立的，質(zhì)能方程式把它們緊密聯(lián)系起來，從而顛覆了牛頓力學(xué)的傳統(tǒng)觀念。
在這個簡單的方程式中，我們可以讀出三條重要的信息：
第一，質(zhì)量和能量在本質(zhì)上是等價的，質(zhì)量是靜止的能量，能量是運(yùn)動的質(zhì)量；
第二，光速在這種等價性中，扮演了不可或缺的角色，它是宇宙空間中最特殊、最奇妙的速度；
第三，愛因斯坦的美學(xué)理念，他追求的是物理本質(zhì)上的關(guān)聯(lián)等價性，以及數(shù)學(xué)形式上的簡潔直觀性。
第二部分，質(zhì)能方程給我們的世界帶來了哪些改變？
一、GPS定位系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，依賴于相對論。
對于高速運(yùn)行的衛(wèi)星，時間要比地球緩慢，要保持GPS衛(wèi)星和多個地面觀測站的時鐘精確同步的話，就必須考慮相對論的修正效應(yīng)。當(dāng)你試圖校準(zhǔn)天上和地面上的時鐘時，你就會發(fā)現(xiàn)，必須滿足愛因斯坦的狹義相對論才行。如果沒有相對論，每天都會積累巨大的定位誤差，定位系統(tǒng)很快就不能用了。
二、重原子核的裂變，開啟核能時代。
所謂重原子核裂變，一個典型的反應(yīng)是，鈾235吸收一個中子之后，轉(zhuǎn)化成鈾236；而鈾236的裂變，除了釋放出較輕的原子核，還釋放出大量的能量，其實就是電磁輻射。不過，裂變反應(yīng)不是輕易發(fā)生的，需要裂變物質(zhì)達(dá)到一定的質(zhì)量，鈾235發(fā)生裂變反應(yīng)的臨界質(zhì)量是50公斤，差不多一個足球那么大。一公斤鈾核的裂變，釋放出來的總能量高達(dá)80萬億焦耳，相當(dāng)于完全燃燒掉兩萬七千噸優(yōu)質(zhì)煤所釋放出來的光和熱！所以核電是一種超級高效的能源，同時也是清潔能源。與原子彈爆炸不同的是，核電站發(fā)電讓裂變過程變得穩(wěn)定可控，而且一旦發(fā)生故障就可以關(guān)閉核反應(yīng)堆。
核能的發(fā)現(xiàn)和使用，不僅是科技史上的一大步，同時也是政治軍事史上的一大步。最具代表性的例子，就是1945年，美軍投放到廣島和長崎的兩枚原子彈，它們殺死了超過10萬人，加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。
三、利用輕原子核的聚變，人類可能擁有第二個太陽。
所謂核聚變，就是質(zhì)量小的原子在高溫高壓條件下，原子核發(fā)生碰撞聚合到一起。在這個過程中，中子逃跑出來，釋放出巨大的能量，這正是太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。
原子核聚變釋放的能量也是氫彈爆炸的可怕威力所在，核聚變釋放的能量比核裂變大得多。地球上一枚氫彈爆炸的話，發(fā)出的光在月球上都能看見。如果將核聚變反應(yīng)變得可控，生產(chǎn)出我們可利用的電能，豈不是就有取之不盡用之不竭的能源？也就是我們設(shè)想的“人造太陽”。這大概還有很長的一段路要走，即便核聚變反應(yīng)可以控制，也很難創(chuàng)造出反應(yīng)發(fā)生所需要的條件。科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程是難以規(guī)劃的，當(dāng)人類社會進(jìn)入高度文明階段，核聚變或許會是成熟能源。
E=mc2，這個神奇的方程式告訴我們，質(zhì)量和能量本質(zhì)上是等價的，因此可以相互轉(zhuǎn)化，世界就是按照質(zhì)能方程在運(yùn)行。在質(zhì)能方程的基礎(chǔ)上，人類創(chuàng)造了GPS定位系統(tǒng)、核電站、原子彈、氫彈，質(zhì)能方程改變了這個世界，并且，這個改變，還將繼續(xù)發(fā)生。
