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《改变世界的方程》以精妙数力之方，撬动世界变革的宏伟巨轮
铛铛铃2025-09-13【科普】407人已围观
简介
今天为你介绍一本
关于爱因斯坦和相对论的科普书——哈拉尔德·弗里奇教授的《改变世界的方程》。
要说到世界上最著名的物理学家，毫无疑问，那就是爱因斯坦。爱因斯坦的最大贡献在于提出了相对论，并由相对论推导出质能方程E=mc²，这也是我们今天要讲的这本书的主要内容。
讲述之前呢，我们先来了解一下这本书的作者弗里奇。弗里奇是德国理论物理学家，他可不是书呆子，出了名的机智和勇敢。1968年，他还是一名大学生的时候，就从东德绕到了东欧，直奔西德，他真正的目的地呢，是西德慕尼黑，这里有量子力学的创始人海森堡教授。找到海森堡教授拜师学艺，弗里奇从此就走上了科学探索之路。
弗里奇是一位很有成就的科普作家，作品被翻译成多种文字，影响了整整两代人。今天我们要讲的这本《改变世界的方程》，曾经获得过文津图书奖、引进版科技类优秀图书奖等等奖项，是一本经典科普读物。能把狭义相对论的知识掰开揉碎地跟大众科普的书不多，而《改变世界的方程》就是其中的一本。
好，下面我们来聊一聊这本书的主要内容。这本书的写法很好玩，基本上架构就是让牛顿和爱因斯坦穿越到现代，加上个作者本人的化身哈勒尔教授，三个人一同探讨科学问题。这三个人的身份呢，恰好代表了物理学的三个发展阶段：经典、现代再到当代。其中啊，牛顿的角色是学生，爱因斯坦的角色呢，是老师，而哈勒尔则相当于助教。我们可以像书中的牛顿那样，紧跟爱因斯坦的思维脉络，去看看质能方程是如何改变世界的。
这本书一共有25万字，全书分为21章。我们把这本书的内容分成两个部分来讲解：一、质能方程是什么；二、它是怎么改变世界的。
我们先讲第一部分，从以下三个问题入手：一、质能方程是怎么诞生的；二、在质能方程的背后，狭义相对论的基本思想是什么；三、从质能方程可以读出哪些信息。
先聊第一个问题吧，质能方程是怎么诞生的。伟大理论的诞生，一般都是为了解决具体的问题，我们来看看什么问题出现了。在中学物理课，我们学过相对性原理啊，这是牛顿力学的核心思想之一，意思就是你站在飞驰的地铁里，相对于站台是运动的，而相对于地铁是静止的，相对于不同的参照物，运动中的物体会有不同的速度。那依照这个理论呢，电磁波的运动速度当然也不会例外。那么问题就来了，1864年，有个叫做麦克斯韦的英国科学家，提出了一个电磁理论，电磁理论要：真空中的电磁波沿着各个方向的传播速度都相同，而且都等于光速。这个理论当时还只是基础理论，之后就带来了很大的技术革命，微波炉就是在这个基础上发明的，广播电视也都是利用电磁波传递信号。那么当时的科学家就得回答一个问题：相对性原理怎么解释电磁理论？
这时候，爱因斯坦登上了历史舞台，他打破了绝对空间的思考框架，提出了相对时间与相对空间的概念，也就是爱因斯坦在1905年创建的狭义相对论，并用狭义相对论的思维推导出质能方程。
这就是我们要探讨的第二个问题，狭义相对论的基础思想是什么。不同于牛顿，爱因斯坦认为存在不同的参考系，就存在相对不同的时间和空间，两者交织在一起，形成了时空的概念。举个例子吧，如果你站着不动，你在绝对空间上是静止的，而以相对论的思维来看呢，你是运动的，因为随着时间的流逝，你穿越了时间。当你奔跑起来的时候，一部分穿越时间的运动就转变为穿越空间的运动，于是呢，你穿越时间的速度变慢了。如果你能够接近光速地奔跑，那么恭喜你，你可以永葆青春，这就是爱因斯坦的时空概念。当然，这种时间延缓效应在我们日常生活中还感受不到，因为我们运动的速度远小于光速。那咱们站在这个角度想啊，生命在于运动，太有道理了。
好，我们来聊聊狭义相对论背后有什么基本原理呢。其实很简单，第一个是相对性原理，在所有参考系中，物理学规律都是一样的，不会说换了个参考系，物理学规律就要跟着改变。第二个是光速不变原理，在所有参考系中，真空中的光速恒定不变，也就是说，不管光源是放在地面上，还是在高速运行的列车上，光传播的速度都是恒定不变的。根据这两条原理呢，爱因斯坦推导出了质能方程式E=mc²，物体的能量等于质量乘以光速的平方。
这个方程的革命性在哪里呢？时间和空间、质量和能量，原本呢，这些概念是彼此独立，质能方程式把它们紧密地联系起来，从而颠覆了牛顿力学的传统观念。可以想象啊，书中穿越过来的牛顿和爱因斯坦，同时代的绝大多数物理学家一样，没法接受爱因斯坦的新时空观，因为这太出人意料了。因此呢，爱因斯坦和他的助手哈勒尔不得不耐心地帮助牛顿解疑答惑。
关于相对论的简单解释，爱因斯坦曾经给过一个比喻。当时啊，爱因斯坦是美国普林斯顿高等研究院的大牌教授，有一天呢，秘书就问爱因斯坦，能不能就相对论给他一个解释，以便它可以用来回答许多记者的提问。这位科学巨匠的回答堪比当今的段子手啊，他说：“和一个漂亮女孩坐在公园的长椅上，一个小时过的好像一分钟，但是呢，坐在炽热的火炉旁，一分钟过的好像一个小时。”这里的火炉相对于漂亮姑娘而言，就相当于是一个高速运动的参考系，你身在其中，感觉时间变慢了。
挑战狭义相对论的人很多，1911年，法国物理学家朗之万就是其中之一。郎之万呢，提出了一个名叫双生子佯谬的思想实验，很有意思。这个实验假设啊，有一对刚出生的双胞胎兄弟，弟弟呢，留在地球上，而哥哥乘坐火箭去太空旅行，火箭的速度接近光速。当哥哥返回地球时，只不过两岁，但他的弟弟呢，却早已离世，因为地球上的光阴已经过去了200年。听起来是不是像中国古代传说中的“天上一日、地上一年”什么的。像郎之万这样的挑战者，最终都对狭义相对论的普及起到了积极的推动作用。
假如你还不太理解狭义相对论是怎么一回事，那么你可以找机会去中国科学院高能物理研究所参观那地下的北京正负电子对撞机。这台高能加速器已经运行了20多年，它先把电子和正电子加速，直到接近光速，然后让两者迎头对撞。对撞的结果呢，是电子和正电子同时消失了，可是呢，我们在中学都学过物质不灭定律，电子和正电子的质量去哪儿了呢？答案很简单，它们转变成能量了，而能量又进一步转化成大量新的粒子。这种质量和能量之间的相互转化，正是由爱因斯坦的质能方程式所描述的规律。
现在我们来回答第三个问题，从质能方程可以读出哪些信息。E=mc²，在这个简单的方程式中，三条信息非常重要。第一，质量和能量在本质上是等价的，质量是静止的能量，能量是运动的质量。第二，光速在这种等价性中扮演了不可或缺的角色，它是宇宙空间中最特殊、最奇妙的速度。第三，爱因斯坦的美学理念，他追求的是物理本质上的关联、等价性，以及数学形式上的简洁直观性。
了解了质能方程式，我们进入今天内容的第二部分，来说说这个方程式给我们的世界带来了哪些改变。这种改变一方面是与我们的生活息息相关的，比如GPS定位系统、核电站发电，另外一方面呢，通过原子弹、氢弹这些军事武器，改变了世界政治格局。下面我就从GPS定位系统、重原子核的裂变、氢原子核的聚变这三个层面来谈谈质能方程式为世界带来的改变。
第一， GPS定位系统的运转依赖于相对论。在今天的现实生活中啊，有越来越多的人离不开GPS定位系统了。其实呢，它的工作原理也离不开相对论，因为对于高速运行的卫星，时间要比地球缓慢，要保持GPS卫星和多个地面观测站的时钟精确同步的话，就必须考虑相对论的修正效应。当你试图校准天上和地面上的时钟时，你就会发现，必须满足爱因斯坦的狭义相对论才行。如果没有相对论，每天都会积累巨大的定位误差，定位系统很快就不能用了。
第二，重原子核的裂变开启核能时代。所谓重原子核裂变，一个典型的反应是由铀235吸收一个中子之后，转化成铀236，而铀236的裂变，除了释放出较轻的原子核，还释放出大量的能量，其实就是电磁辐射。不过呢，裂变反应不是轻易发生的，需要裂变物质达到一定的质量，铀235发生裂变反应的临界质量是多少呢？50kg啊，差不多就是一个足球那么大。一公斤铀核的裂变释放出来的总能量高达80万亿焦耳，相当于是完全燃烧掉27000吨优质煤所释放出来的光和热。所以啊，核电是一种超级高效的能源，同时呢，也是清洁能源。与原子弹爆炸不同的是，核电站发电让裂变过程变得稳定可控，而一旦发生故障，就可以关闭核反应堆。核能的发现和使用，不仅是科技史上的一大步，同时也是政治、军事史上的一大步，最具代表性的例子就是1945年美军投放到广岛和长崎的两枚原子弹，他们杀死了超过10万人，加速了第二次世界大战的结束。
爱因斯坦等物理学家自然知道核武器的利弊，正如弗里奇在书中提及的那样，参与制造第一枚原子弹的大多数科学家只赞成在无人荒漠地带引爆它，从而起到炫耀武力、警告敌对国的作用。然而，制造原子弹是科学家的事情，使用原子弹则是政治家的事情。爱因斯坦在1950年的一封书信中表达了自己的困惑和无奈，他写道：“我从未做过任何旨在制造原子弹的研究，我对整个这件事的唯一贡献是在1905年确定了质能关系，而他是个纯物理的东西，它是很一般的物理规律，而它与军事应用的潜在联系离我的思想远得不能再远了。”
第三是利用氢原子核的聚变，人类可能拥有第二个太阳。所谓核聚变，就是质量小的原子在高温高压条件下，原子核发生碰撞，聚合到一起。注意了，这个高温需要上亿度，在这个过程中呢，中子逃跑出来，释放出巨大的能量，这正是太阳发光发热的能量来源。其实啊，早在1940年左右，根据爱因斯坦的质能方程式以及费米的原子核衰变理论，就有科学家指出，发生在太阳中心的核聚变将一部分原子核的质量转变成能量释放出来，能量以光和热的形式传递到太阳表面和地球上，我们的世界才有了温暖和生机。原子核聚变释放的能量也是氢弹爆炸的可怕威力所在，要知道，核聚变释放的能量可比核裂变大得多，地球上一枚氢弹爆炸的话，发出的光在月球上都能看见。如果将核聚变反应变得可控，生产出我们可利用的电能，岂不是就有取之不尽、用之不竭的能源，也就是我们设想的人造太阳。这大概还有很长的一段路要走，即便是核聚变反应可以控制，也很难创造出反应发生所需要的条件。科学发展的进程是难以规划的，当人类社会进入高度文明阶段，核聚变或许会是成熟能源。不过能源多了也未必是好事，历史经验告诉我们，一旦能源充足，整个社会将不计后果的浪费能源。书中的哈勒尔说：“只要我们节俭的使用能源和原料，包括核能，人类文明就能在这个星球上延续下去。”
让我们来总结一下，质能方程告诉我们，质量与能量可以相互转化，于是利用重原子核裂变或者氢原子核聚变释放出来的能量，创造了核电、原子弹、氢弹。整个宇宙时刻进行着质量和能量的转化，于是这个世界有了阳光和生命。
好了，说到这里，我想大家对狭义相对论和质能方程都有了一个新的认识。创造出这一切的爱因斯坦有多厉害呢？在相对论诞生之后的100多年以来，物理学家们都在为证明爱因斯坦的理论而忙活，包括2017年的诺贝尔物理学奖颁给探测到引力波的团队，引力波也是爱因斯坦在100多年前的预言之一。重要的是，爱因斯坦搞出来这些全靠想象力，没花钱。
这里呢，还要补充介绍两个有趣的小问题。一、为什么是爱因斯坦而不是别人创建了狭义相对论？原因很简单，当时只有爱因斯坦对光的本质有最深刻的认识。爱因斯坦在1905年发表的第一篇学术论文就是关于光量子的，为此呢，他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。光子没有质量，因此它在真空中只能以恒定不变的速度传播，而光速本身也定义了宇宙的极限速度，任何能量和信息的传递都不可以超过光速，这才有了狭义相对论的光速不变原理。二、为何爱因斯坦能够发现自然现象背后的物理规律，而且形式简单、内容深刻呢？这种简洁的科学美学始终贯穿着爱因斯坦的研究工作，另一个典型的例子便是他在1915年创建的广义相对论，其中被后人称作爱因斯坦方程的公式，形式上也很简单。1932年1月，他在哥伦比亚大学的一场演讲中强调：“我们在寻求一个能把观察到的事实联系在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性。我们所谓的简单性并不是学生们在掌握这种体系时产生的困难最小，而是指该体系所包含的彼此独立的假设或公理最少。”由此，我们就不难理解，为什么时间和空间、质量和能量等基本概念在爱因斯坦的心目中都可以关联起来。在某种意义上，简洁的确是真理的重要标志。
弗里奇将《改变世界的方程》这本书的大结局安排在日内瓦附近的欧洲核子研究中心，面对人类历史上前所未有的巨大科学装置，书中的牛顿和爱因斯坦都变成了小学生，虚心地倾听哈拉尔介绍质能方程式的魔力是如何体现在大型高能加速器上的。当书中的牛顿和爱因斯坦离开了日内瓦之后，我们今天的狭义相对论之旅也接近了尾声。E=mc²，这个神奇的方程式告诉我们，质量和能量本质上是等价的，因此可以相互转化，世界就是按照质能方程在运行。在质能方程的基础上，人类创造了GPS定位系统、核电站、原子弹、氢弹，质能方程改变了这个世界，并且这个改变还将继续发生。
好，这本书就为你解读到这精华笔记，在音频下方，我们明天见。
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