为什么Emc^2这和光速有啥关系

根据狭义相对论，质量和能量都是同一事物的不同表现形式，对于普通人来说，这是一个有点陌生的概念。——爱因斯坦

有一些科学概念已经如此深刻地改变了我们的世界，我们每个人都知道它是什么，也能完整的表述出来，但很少有人知道为什么是那样。例如：爱因斯坦提出的E=mc^2。那为什么质量物体蕴含的能量等于质量成以光速的平方？这个方程怎么能如此简洁的正好相等呢？为什么方程中再没有其他常数呢？为什么不是E=amc^2而a是任意常数？

其实爱因斯坦这个方程是动量和能量守恒的结果，如果我们的宇宙质量和能量以这种方式转换的话，一切事情可能会大不相同。

从星系、恒星和行星一直到分子、原子和基本粒子本身。尽管它们在物理尺度上不同，但物质的每一个组成部分都有一个基本属性：质量，这意味着即使我们把物质的所有运动状态都拿走，即使把它冷却到绝对零度，让其完全静止，它自身固有的质量属性仍然会对宇宙中的其他物体产生影响。

具体来说，任何质量的存在都会对其周围的空间造成扭曲，并对附近的质量物体施加一种力，这种吸引力我们称之为万有引力，质量的存在本身就是一种特定的能量。

最后一句话有点违反直觉，因为在物理学中我们通常认为能量是完成某项任务的能力：我们称之为做功的能力。如果你只是坐在椅子上休息，就算你拥有质量，那你能完成什么？

在回答这个问题之前，让我们先看一下质量物体的另一面：没有质量的物体。

宇宙中有一些完全没有质量的东西：比如光子。这些粒子也携带一定数量的能量，这很容易理解，因为光可以与物体相互作用，被物体吸收，并将能量传递给物体。足够能量的光可以加热物质，赋予它们额外的动能（和速度），把电子踢到原子中更高的能量状态，或者完全电离原子，这些都取决于光的能量。

无质量粒子（如光）所包含的能量仅由其频率和波长决定，其乘积总是等于无质量粒子的运动速度：光速。因此，更长的波长意味着更小的频率，更低的能量，而更短的波长意味着更高的频率和更高的能量。虽然我们可以降低一个大质量粒子的速度，但试图从一个无质量粒子中去除能量只会延长它的波长，而不会降低它的速度。

考虑所有这些，现在我们来说下：质量/能量的等效是如何转换的？也就是说我们可以把一个反物质粒子和一个物质粒子（比如电子和正电子）碰撞在一起，得到无质量的粒子（比如两个光子）。但是为什么这两个光子的能量等于电子（和正电子）的质量乘以光速的平方呢？为什么方程里就没有另一个因素或其他常数？为什么方程必须是E = mc^2？

事实上，如果狭义相对论确实是正确的，那么这个方程必须是E = mc^2，不允许有任何偏差。下面我们来解释下为什么会这样。首先想象这样一个场景：在空间中有一个盒子，它是完全静止的，盒子两边各有一面镜子，一个光子朝里面的一面镜子运动。

爱因斯坦的思想实验是这样进行的。在盒子里，光子从左边被发射出来，并从左边向右边传播。由于系统的动量必须守恒，所以当光子发射时，盒子必须向左边反冲。在某个时候，光子会与盒子的另一边碰撞，把所有的动量都转移到盒子上。系统的总动量是守恒的，所以撞击使盒子停止移动。

但有一个问题。由于没有外力作用于这个系统上，盒子的质心必须保持在同一位置。然而，盒子已经移动了。那么盒子的运动如何与系统的重心保持一致？

爱因斯坦解决了这个明显的矛盾，他提出必须光子的能量必须有一个等效的质量。换句话说，光子的能量必须等于盒子里从左向右移动的质量，有一部分质量从盒子的左边移动到了盒子的右边，就算盒子向左边移动了一点距离，但盒子的重心会保持不变。

让我们用数学的方法来思考这个实验。对于光子的动量，我们将用麦克斯韦的表达式来表示具有给定能量的电磁波的动量。如果光子的能量为E，光速为c，则光子的动量为：P（光）=E/c

质量为M的盒子将以速度v缓慢地向与光子相反的方向反冲，盒子的动量为：P（盒）=Mv

光子将需要很短的时间Δ t到达盒子的另一侧。在这个时候，盒子将移动一段很小的距离Δ X。因此，盒子的速度由下式给出：v=Δ X/Δ t

通过动量守恒定律，我们有：M（Δ X/Δ t）=E/c

如果盒子的长度为L，则光子到达盒子另一侧所花费的时间为：Δ t=L/c

代入动量守恒方程，并重新排列：MΔX=EL/ c^2

现在假设光子有质量，我们用m表示，在这种情况下，整个系统的质量中心可以计算出来。如果盒子的位置是x1，光子的位置是x2，那么整个系统的质心为：

我们要求整个系统的质心不改变。因此，实验开始时的质心必须与实验结束时相同。数学上：

光子从框的左侧开始，即 x2 =0。因此，通过重新排列和简化上述公式，我们得到：mL= MΔX

现在将：M（Δ X/Δ t）=E/c，代入到mL= MΔX，我们得到mL=EL/c^2

重新排列给出最终方程：E=mc^2

这个方程如果再加上其他常数，方程就不平衡了，那么每次吸收或发射光子时，能量就会增加或减少。在20世纪30年代，我们终于发现了反物质，我们亲眼看到了可以把能量转化成质量，然后再转化成能量的验证结果与E = mc^2的结果完全吻合。

为什么E = mc ^ 2，这和光速有啥关系？

有一些科学概念已经如此深刻地改变了我们的世界，我们每个人都知道它是什么，也能完整的表述出来，但很少有人知道为什么是那样。例如：爱因斯坦提出的E=mc^2。那为什么质量物体蕴含的能量等于质量成以光速的平方？这个方程怎么能如此简洁的正好相等呢？为什么方程中再没有其他常数呢？为什么不是E=amc^2而a是任意常数？

其实爱因斯坦这个方程是动量和能量守恒的结果，如果我们的宇宙质量和能量以这种方式转换的话，一切事情可能会大不相同。

从星系、恒星和行星一直到分子、原子和基本粒子本身。尽管它们在物理尺度上不同，但物质的每一个组成部分都有一个基本属性：质量，这意味着即使我们把物质的所有运动状态都拿走，即使把它冷却到绝对零度，让其完全静止，它自身固有的质量属性仍然会对宇宙中的其他物体产生影响。

具体来说，任何质量的存在都会对其周围的空间造成扭曲，并对附近的质量物体施加一种力，这种吸引力我们称之为万有引力，质量的存在本身就是一种特定的能量。

最后一句话有点违反直觉，因为在物理学中我们通常认为能量是完成某项任务的能力：我们称之为做功的能力。如果你只是坐在椅子上休息，就算你拥有质量，那你能完成什么？

在回答这个问题之前，让我们先看一下质量物体的另一面：没有质量的物体。

宇宙中有一些完全没有质量的东西：比如光子。这些粒子也携带一定数量的能量，这很容易理解，因为光可以与物体相互作用，被物体吸收，并将能量传递给物体。足够能量的光可以加热物质，赋予它们额外的动能（和速度），把电子踢到原子中更高的能量状态，或者完全电离原子，这些都取决于光的能量。

无质量粒子（如光）所包含的能量仅由其频率和波长决定，其乘积总是等于无质量粒子的运动速度：光速。因此，更长的波长意味着更小的频率，更低的能量，而更短的波长意味着更高的频率和更高的能量。虽然我们可以降低一个大质量粒子的速度，但试图从一个无质量粒子中去除能量只会延长它的波长，而不会降低它的速度。

考虑所有这些，现在我们来说下：质量/能量的等效是如何转换的？也就是说我们可以把一个反物质粒子和一个物质粒子（比如电子和正电子）碰撞在一起，得到无质量的粒子（比如两个光子）。但是为什么这两个光子的能量等于电子（和正电子）的质量乘以光速的平方呢？为什么方程里就没有另一个因素或其他常数？为什么方程必须是E = mc^2？

事实上，如果狭义相对论确实是正确的，那么这个方程必须是E = mc^2，不允许有任何偏差。下面我们来解释下为什么会这样。首先想象这样一个场景：在空间中有一个盒子，它是完全静止的，盒子两边各有一面镜子，一个光子朝里面的一面镜子运动。

爱因斯坦的思想实验是这样进行的。在盒子里，光子从左边被发射出来，并从左边向右边传播。由于系统的动量必须守恒，所以当光子发射时，盒子必须向左边反冲。在某个时候，光子会与盒子的另一边碰撞，把所有的动量都转移到盒子上。系统的总动量是守恒的，所以撞击使盒子停止移动。

但有一个问题。由于没有外力作用于这个系统上，盒子的质心必须保持在同一位置。然而，盒子已经移动了。那么盒子的运动如何与系统的重心保持一致？

爱因斯坦解决了这个明显的矛盾，他提出必须光子的能量必须有一个等效的质量。换句话说，光子的能量必须等于盒子里从左向右移动的质量，有一部分质量从盒子的左边移动到了盒子的右边，就算盒子向左边移动了一点距离，但盒子的重心会保持不变。

让我们用数学的方法来思考这个实验。对于光子的动量，我们将用麦克斯韦的表达式来表示具有给定能量的电磁波的动量。如果光子的能量为E，光速为c，则光子的动量为：P（光）=E/c

质量为M的盒子将以速度v缓慢地向与光子相反的方向反冲，盒子的动量为：P（盒）=Mv

光子将需要很短的时间Δ t到达盒子的另一侧。在这个时候，盒子将移动一段很小的距离Δ X。因此，盒子的速度由下式给出：v=Δ X/Δ t

通过动量守恒定律，我们有：M（Δ X/Δ t）=E/c

如果盒子的长度为L，则光子到达盒子另一侧所花费的时间为：Δ t=L/c

代入动量守恒方程，并重新排列：MΔX=EL/ c^2

现在假设光子有质量，我们用m表示，在这种情况下，整个系统的质量中心可以计算出来。如果盒子的位置是x1，光子的位置是x2，那么整个系统的质心为：

我们要求整个系统的质心不改变。因此，实验开始时的质心必须与实验结束时相同。数学上：

光子从框的左侧开始，即 x2 =0。因此，通过重新排列和简化上述公式，我们得到：mL= MΔX

现在将：M（Δ X/Δ t）=E/c，代入到mL= MΔX，我们得到mL=EL/c^2

重新排列给出最终方程：E=mc^2

这个方程如果再加上其他常数，方程就不平衡了，那么每次吸收或发射光子时，能量就会增加或减少。在20世纪30年代，我们终于发现了反物质，我们亲眼看到了可以把能量转化成质量，然后再转化成能量的验证结果与E = mc^2的结果完全吻合。

光速的平方和E=mc2有什么关系呢?

对于这个问题，只有两个答案是合理的……第一个答案来自于目前已知的物理学，其中c^2包含在这个方程中，这是狭义相对论中一次又一次被证实和验证的推导结果。

第二个答案从物理学的根源出发，给出了一个很容易在一个模型中看到的解释，该模型显示了含有质量的粒子的内部能量结构。

我会尽可能清楚地解释这件事。时空是一种能量媒介。粒子是由运动和/或取代时空的能量组成的。它需要能量来移动和/或取代时空的能量。时空的能量独立于粒子的能量，所以时空中的粒子的能量不能成为时空的能量，时空的能量也不能成为时空中的粒子的能量。

一个光子向前(或向后)移动时空，但它必须离开时空，回到它进入那个时空区域之前的位置。光子必须以c运动，光子的能量与c^1成比例。

对于一个含有能量而不以c方向运动的粒子，意味着粒子中的能量运动必须是圆形的。问题是光子总是在位移时空后把它移回来。为了创造一个不以c运动的粒子，光子的运动必须是圆的。让光子做圆周运动的唯一方法是让它在时空中沿圆周运动。唯一可能发生的是让时空自身绕圈运动，这样时空就会填满自己，而时空又不会发生净位移。这意味着一个具有质量的基本粒子只能利用光子一半的能量。

利用光子的一半能量，就有可能让时空绕圈运动。时空锁进入一个稳定的圆周运动需要压痕运动在c。一半光子的能量仍以c的时空运动也必须移动,c。弯曲时空的光子正一圈,以这种方式时空不会取代,因为它总是填写。

圆周运动的能量在一个基本粒子包含质量有一个内部能源结构有能量移动在c上的时空移动c。这些运动可以比作一个时钟的手,一个完整的周期运动(一个小时)是60秒x 60分钟…或60 ^ 2——在我们的例子中c ^ 2。

能量层次理论给出了电子和以上夸克的内部能量结构，并给出了这种能量结构如何创造它们相关的能量场的细节。能量场是由粒子的能量与时空的能量相互作用而产生的。