質量守恆和能量守恆，是經典力學就已經解決的問題。但在經典力學中，質量和能量是兩個完全不同互不相通的概念，它們之間沒有確定的當量關係，認為一定質量的物體可以具有不同能量，這種能量以動量、衝量、動能、勢能來表示。

愛因斯坦的貢獻就是把質量和能量這兩個東西糅合在一起了，劃了一個等號，即質量和能量是等價的，而且可以互換的，其簡化出來的公式為：E=MC^2，這就是偉大的質能方程。

這個公式裡的E表示能量，M表示質量，C表示光速。這一步看起來簡單，但卻是一個重大突破，就像一層窗戶紙，捅破了就可以看到外面的情景；又像一個魔術，揭秘前很神秘，揭秘後令人恍然大悟，原來就這麼簡單。

經典力學的缺陷讓物理學發展出現烏雲

19世紀末20世紀初，物理學出現了前所未有的危機，人們形容為物理學的兩朵烏雲。這兩朵烏雲為電磁力學和黑體輻射，採用經典力學理論產生了不可調和的矛盾。在經典力學框架下無法解決這些危機，已經導致物理學停滯不前。

這引起了愛因斯坦等許多科學家們的思考，在愛因斯坦後來創立的狹義相對論中，認為問題的關鍵是，經典力學是建立在絕對時空觀基礎上，將物質運動的時間和空間割裂開來考慮，解釋世界採用的是伽利略變換，簡單地說就是1+1=2的理論。

伽利略變換可以解釋宏觀世界低速系統中的許多現象，因為這些解釋非常接近真相，在低速參考系有那麼一點點差距完全可以忽略不計；但這種理論在接近光速的高速參考系裡，或者深入到原子電子量子力學層面，就會出現許多問題，差距就越來越大。

這是因為時空是不可割裂的，相對不同時空，觀察物質運動的時間性是不一樣的。愛因斯坦在狹義相對論裡用一個簡單例子：一個乘坐在火車上的人隨手放下（不是丟下）一個鐵球，他看到的鐵球（忽略空氣阻力影響）是垂直掉落在路基上，而站在站臺上的人會看到鐵球跟隨火車前進，呈拋物線掉到路基上。

這說明在不同運動的參考系，觀察同一事物，會得出兩種不同結論，而且運動的時間和走過的路程也是不一樣的，這就解釋了時間在不同參考系的不同時性質。由此，在不斷動態變化著的宇宙，洛倫茲變換才是解釋事物發展過程更準確的理論。

洛倫茲變換是狹義相對論重要理論依據

洛倫茲變換推導過程如下圖：

簡單的說，洛倫茲變換就是1+1≠2，而是必須加上一個洛倫茲因子，表述為γ=1/√［1-（u/c）^2］，這個因子加上了，就限制了速度，光速就成為了極限速度，不能疊加了。洛倫茲變換與伽利略變換的不同之處在於，低速系統兩者都適用，但洛倫茲變換更精確，高速系統（尤其是接近光速）時，只有洛倫茲變換適用。

這樣就解決了一個大問題，愛因斯坦狹義相對論問世後，許多用經典力學解釋不通或者錯誤很大的現象都得到了糾正，由此更精準地描述了世界運動，讓物理學發展得到了解放，從此進入一個新的階段。因此愛因斯坦相對論被認為是現代物理學的基礎。

那麼，為什麼愛因斯坦幾乎所有公式裡都有個光速C呢？

愛因斯坦發現了或者說假定了光速極限和光速不變，這正是愛因斯坦狹義相對論以及後來創立的廣義相對論的立論基礎，也是愛因斯坦偉大貢獻之一。而相對論本身就是論述物質運動的，運動離不開速度，而最快速度是光速，因此凡是描述運動的公式，當然就離不開光速了。

所謂光速極限，就是光速是我們世界最高速度，沒有任何物質運動能夠超過這個速度；光速不變就是光速在任何參考系都是不變的，也不能疊加，疊加速度也不能超過光速。這個是愛因斯坦透過觀察思考，並總結前人觀測實驗資料得到的一個假設。

這個假設經過一百多年無數科學家驗證，所有的觀測和實驗資料沒有一例能夠反證，因此成為現代物理學的一個鐵律。

為什麼光速極限和光速不變是我們世界的鐵律呢？我們也可以這麼理解：人類看到的世界都是依靠光，沒有光就什麼也看不到。如果愛因斯坦的假設不成立，我們看到的世界就沒有確定性。因為如果存在超光速的事物，或者光速是會變的，我們就無法看到真實的東西，所有的星空也都不確定了。

光速是現代物理學的一個基本常數

經過300多年科學家們的前赴後繼，採用各種方法經過無數次的試驗計算，最終透過波長與頻率的現代方法，再透過世界度量衡大會修改了米的定義，得到準確真空光速為c=299792458m/s，而1米就是光速在1秒鐘行進距離的299792458分之一。

請注意，這個光速是真空光速，光在不同介質中行進速度是不一樣的，在空氣中略小於真空光速，但差距極微，因此一般也忽略不計；而在玻璃、冰、不同液體中行進速度相差就比較大了。為了簡便計算，一般將真空或空氣中光速採用30萬千米/s。

真空光速是現代物理學中一個常量，在許多公式中都有運用。

那麼質能方程中為啥也要用到光速呢？

這是因為物質動能量是與速度成正比的，速度越大動量越高，這一點在經典力學也是一樣的，所謂動量、衝量、動能、勢能就是這個道理。但經典力學建立在絕對時空觀上，沒有光速概念，那時認為光速是無限的，因此動量、衝量、動能、勢能就沒有一個天花板，也就是頂。

這樣，根據經典力學推論，沒有光速限制，就永遠也無法確定一個質量最大動量、衝量、動能、勢能有多大，質量就無法與能量對接，更無法等價互換，就永遠無法得出質能方程，

愛因斯坦正是發現了光速這個天花板，而且光速極限，就鎖定了所有物質運動速度的天花板，這個天花板就是299792458m/s。有了這個天花板，就為質量與能量等價交換創造了條件，這就是物質運動到達最快時的動能，也就是物質的最大能量。

由此，一個偉大的公式誕生了，這就是E=MC^2。

這個發現揭示了物質質量蘊含的巨大能量，也給宇宙形成演化過程以及人類能源利用提供了理論依據。

根據這個公式，1公斤物質的能量全部釋放，就約等於9*10^16J（焦耳），相當250億度電能。

但將物質所有質量轉化為能量是非常非常難的，目前人類距離這個能力還相差很遠，只有自然界的力量才有這種可能，目前認為只有反物質湮滅才能夠達到。

而現在人類掌握的最大能量釋放是核聚變，其質能轉換率只有約0。7%，也就是1公斤質量（氫）透過核聚變，質量虧損只有約7g（克），這7g質量可以轉化出6。3*10^14J的能量，相當1。75億度電能，約合15萬噸TNT炸藥爆炸威力。

即便是核聚變這種低水平的質能轉化，目前人類還只能以不可控方式實現，也就是氫彈爆炸能量瞬間釋放。而可控核聚變，是讓能量緩慢釋放，才能造福人類社會，這個技術實現難度很大，至今還在實驗攻關中，進展緩慢。

在質能方程裡，任何物質質量都是等價的。

也就是說，根據質能方程，1kg棉花和1kg黃金或者1kg炸藥的質能都是一樣的。

問題是要將質量轉化為能量，不是一般常識認為只要“燒”就能燒出來，而是需要巨大的壓力和極高溫度，如在太陽核心，將世界最簡單最輕的物質~氫轉化為氦，就需要3000億個大氣壓和1500萬度的高溫，越重的原子核發生聚變反應的溫度和壓力要求越高。

而核聚變得到的能量還只是原子核中虧損的很小一部分，不到1%。要從質量中榨出更多的能量，除了反物質可以達到100%，這其中還有99%的空白，在未來人類科學發展中，需要去填補。努力吧，有誰能夠讓質量裡的能量能夠轉化2%，他就是現代人類中大神級的人物了，什麼諾貝爾獎完全不在話下。

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