没有爱因斯坦的质能方程，就造不出原子弹吗？

这几天我们谈论的很多经典公式、论战、实验都离不开爱因斯坦，爱因斯坦的确是科学史上最最伟大的科学家之一。而提到爱因斯坦，则不能忽略他的质能公式，这个被誉为世界十大经典公式之一的质能公式，很多人说它的副产品就是原子弹。那么没有质能公式，就造不出原子弹吗？

其实质能公式是无法造出原子弹的，质能公式只是给原子弹制造提供了一个理论依据。接下来我们来聊聊原子弹的发展史。

首先，第一个不能忽略的人是约瑟夫·约翰·汤姆逊，他说第三任卡文迪许实验室主任，卡文迪许实验室可以说是科学家的天堂，从1904年至1989年的85年间一共产生了29位诺贝尔奖得主，其科研效率之惊人，成果之丰硕，举世无双。在鼎盛时期甚至获誉“全世界二分之一的物理学发现都来自卡文迪许实验室。”。

而汤姆逊最大的贡献就是在1897年发现了电子，电子的发现打开通向基本粒子物理学大门，而电子的发现也证明了原子并非不可分割，电子的发现具有划时代的意义，它说明原子并非“不可分割”，原子必然存在内部结构，人们必将冲破千百年来认为原子是组成物质的最小单元的陈旧观念，而去了解物质结构更深的层次。

可以说正是汤姆逊发现了电子将经典物理学引向了新物理学，从而让科学家们开始从宏观世界开始转向探索微观世界。

在此之后，原子核物理学之父，继法拉第之后最伟大的实验物理学家（注意爱因斯坦是理论物理学家）卢瑟福在1910年进行了震惊世界的α粒子散射实验，他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，他在这个实验中发现了原子并非不可变，放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的。

卢瑟福的这一个发现为原子物理学的创立做了开创性的工作，也让原子能的研究开始提上了议程。

而卢瑟福的学生查德威克发现了中子，成为了原子能研究的起点，后来，意大利物理学家费米用中子作“炮弹”轰击铀原子核，发现了核裂变和裂变中的链式反应，开创了人类利用原子能的新时代。

1938年，德国科学家奥托哈恩以及斯特拉斯曼在通过中子撞击铀原子核实验中，发现铀原子核竟然能分裂成两个其它元素原子核，这也是人类首次确认原子核可以分裂。1939年初，德国化学家O.哈恩和物理化学家F.斯特拉斯曼发表了铀原子核裂变现象的论文。几个星期内,许多国家的科学家验证了这一发现,并进一步提出有可能创造这种裂变反应自持进行的条件。从而让科学家们意识到造出原子弹的可行性。

哈恩

也就在这个时候，物理学家N.H.D.玻尔和他的合作者J.A.惠勒从理论上阐述了核裂变反应过程，并指出能引起这一反应的最好元素是同位素铀235。可以说玻尔与惠勒的的研究成果直接为原子弹的制造提供了夯实的基础。

爱因斯坦 汤川秀树 惠勒

在玻尔与惠勒合作开发的液滴模型中，原子核包括了中子和质子，呈液滴状。当另一个蜕变核中的中子发射出来击中这个“液滴”，它就会开始剧烈振动，并逐渐拉升成花生状，最终一分为二。是不是有点像原子弹爆炸时的情景～

这个时候，我们就要聊到了质能方程在其中起到了什么作用呢？

质能公式是1905年爱因斯坦提出的一个质能转换方程，是在狭义相对论中提出。其中，E是能量，单位是焦耳（J）。M是质量，单位是千克（Kg）。C是真空中光速(m/s)，c=299792458m/s

根据狭义相对论,质量随速度增加而增加,我们知道动能也随速度增加而增加,那么质量不也正是随动能增加而增加么?为了满足狭义相对论的两条原理（相对性原理和光速不变原理）,可以推算出所增加的质量乘以光速的平方正好等于物体的动能,即ΔE＝Δm*c^2.进而把结论推广为E＝m*c^2.通过质能方程可以计算正物质与反物质的湮灭能量，比如一个正电子质量m,反电子质量必然也为m，正反电子相遇后湮灭,产生的能量为2m*c^2,即2m的质量全部转化为了能量。

可以说，爱因斯坦提出质能方程其实和原子能并没有什么关系，他提出质能方程是为了建立物理学中关于质量和能量联系，好解释他的狭义相对论，因为在经典物理学里，质量和能量是两个不搭边的概念，也没有公式能够将它们联系起来。

等到发现铀原子核裂变，已经是34年之后的事情了。其实质能方程只是为原子弹的制造提供了一个理论支持。因为质能方程只是一个描述性的公式，来解释核反应中巨额能量和质量亏损的由来，尤其是哈恩发表了铀原子核裂变现象的论文，更加证实了爱因斯坦公式的正确性。

也就是说，爱因斯坦的质能方程为原子弹制造的可能性提供了一个理论基础，质能方程可以反映核裂变或聚变反应中原子核内部发生质量亏损产转变的核能。也就是说通过核裂变或者核聚变可以产生如此大的威力。

就像我们说的，核裂变的发现其实不关质能方程的事，虽然没有合适的理论解释也没用合适的理论指导，但是哈恩在用慢中子轰击铀核的实验中还是发现了原子核的裂变现象，并放出新的中子。

但是后来科学家从爱因斯坦的质能方程中找到了理论依据，就是为什么原子弹会有这么大的威力，从而推动了原子弹研究的进程。

因为质能方程涉及到了质量亏损，根据质能方程的涵义，反应后粒子的静质量要减少，即反应后质量要有所亏损，而质量亏损就意味着能量的亏损，亏损的能量就是原子能。所以科学家就根据质能方程来计算原子弹究竟会具有多大的威力，那么这样也好打动政府抓紧研制原子弹。比如已知已知铀核、钡和氪和中子的质量分别是235.0439u，140.9139u，91.8973u和1.0087u。核反应方程为：92235U 01n→56141Ba 3692Kr 301n由质能方程得放出的能量为92235U 01n→56141Ba 3692Kr 301n，释放的核能为：3.2×10-11J．

大家可以估一下这威力是多少！费曼就曾经说过：在原子弹爆炸中，如果其能量相当于2万吨tnt炸药，就可以找到爆炸后的尘埃比反应材料轻1g。

所以质能方程只是解释了原子弹为什么会有这么大的威力，并不能造原子弹！

事实上，即使没有质能方程，在哈恩发现了核裂变以后，大家已经知道了核裂变的威力，虽然没有理论依据，依然可以制造原子弹。

原子弹的理论、方法、材料、技术工艺这些，其实和质能方程并没有实质性的关联。当然，爱因斯坦曾致信罗斯福总统加快核武器的研制也起到了推动作用！

爱因斯坦的致信

原子弹的制造是由奥本海默来负责的。（但是我不能确定在制造过程中有没有使用质能方程来控制好原子弹变量，比如我们造的核能威力要达到多少，那么通过质能方程计算，其中铀核、钡和氪和中子的质量就可以得出）

奥本海默是一个恃才傲物的人，当初想进卡文迪许，结果被卢瑟福拒绝，但是被汤姆逊给留了下来，但是因为和导师不和，居然想要毒杀导师，幸亏被导师发现了。他曾经很多次在别人发表演讲时打断他的演讲，上台拿起粉笔，去指出他们的缺陷，连他的老师都不能避免。

后来，他来到美国，当时英国、德国、苏联都在研制原子弹，奥本海默提出集合一流科学家来研发原子弹，这就是著名的“曼哈顿”计划。可以说有史以来从来没有哪一个项目研究汇聚来这么多顶尖的超一流科学家，包括“氢弹之父”爱德华·泰勒、著名的科学家费米、费曼、计算机支付冯·诺依曼还有中子的发现者查德威克、物理皇后吴健雄等。这些都是在物理史上都无法或缺的具有重要地位的科学家。可以说原子弹的诞生是集合了全世界最超一流科学家的智慧所诞生的成果，曼哈顿计划总共有超过4000名科学家参与。所以你明白为什么是美国最先研制出原子弹了吧！

但是奥本海默的后半生是凄凉的，他看到了广岛原子弹爆炸的威力，想要反对氢弹的研发、通过联合国实现原子能的和平研发，结果被美国诬陷，被指控为与共产党人合作，包庇苏联间谍，反对制造氢弹等。

奥本海默与爱因斯坦

所以，看完了原子弹诞生的这一系列过程，你会发现原子弹的诞生其实是一个水到渠成的事情，从汤姆逊发现电子引领大家了解物质结构更深的层次开始，其实原子弹就已经在襁褓里，慢慢发育了。

质能方程只是给原子弹提供了一个理论依据，告诉大家原子弹为什么威力会这么大。它并不是制造原子弹的理论基础，也没用给原子弹的研发提供任何直接的理论指导。

但是我们并不能否定质能方程的伟大，质能方程准确地描述质量和能量的关系，这为波动力学和德布罗意波的诞生奠定了基础。揭示了静止的物体也具有能量，意味着，宇宙中任何两个物体间都能够依靠能量联系在一起。其次就是证明了质量能够单纯地转化为能量，这也是原子弹为什么会具有如此大威力的理论依据，最后就是能量能够产生质量，这似乎为宇宙的诞生提供了理论依据。

科学是在无尽的探索中发现宇宙的未知奥秘，从而促进人类与社会的不断发展，在这个过程中，可能当下的一个小小的发现，却会推动几十年后的一场科技大革命。这就是科学研究的魅力，在先人一点点挖掘下的泥土上，垒砌了一座高山。

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