沒有愛因斯坦的質能方程,就造不出原子彈嗎?

羅上林



阿爾伯特·愛因斯坦和他的質能方程E=mc²與現代原子時代有著眾所周知的聯繫。但是這位偉大的物理學家在原子彈的發明中並沒有你想象的那麼重要。

如果阿爾伯特·愛因斯坦從未推論出質能方程,那麼原子彈會出現嗎?你不能在過去改變一個變量,然後認為你可以知道結果會是什麼。歷史是一個混亂的系統,開始移除變量,誰知道會發生什麼。更不用說20世紀最有影響力的物理學家之一阿爾伯特·愛因斯坦這個變量了,他的重要性遠遠超過了他所寫的方程……而那些方程在當時是非常重要的!



另一方面,這種科幻反事實可以作為一個思維實驗。這不是歷史,但它可以用來說明許多人不知道的原子彈早期歷史的一些重要方面,也可以消除“偉人”對原子彈歷史影響的一點痴迷。1939年阿爾伯特·愛因斯坦向羅斯福致信。從表面上看,這賦予了他相當重要的角色,事實上,在曼哈頓計劃的歷史開始時,他沒有出現。但是無論是從科學角度還是從歷史角度來看,無論是E=mc²還是愛因斯坦的信都沒有人們意識到的那樣對曼哈頓計劃成功至關重要。

從科學的角度來看,E=mc²獲得了最大的關注,最完美的表達方式是1946年時代雜誌封面上的愛因斯坦肖像和他的質能公式印在蘑菇雲上。許多人似乎認為E=mc²在原子彈的發展中起了關鍵作用,武器只是從物理學中脫離出來,這是錯誤的。這個等式可以幫助人們理解為什麼原子彈起作用,但它並沒有真正告訴你如果質能公式從未出現,那麼會改變核武器歷史嗎?


物理學對於理解這項技術至關重要,但是這項技術並不只是以任何直接的方式“脫離”物理學,而且這些等式都不能告訴你這項技術是否可能。E=mc²告訴你,在某個非常深的層次上,能量和質量是等價的,質量等價的能量是巨大的。但是它沒有提到機制將質量轉化為能量,無論是從一開始就存在,還是可以擴大到工業或軍事規模。它甚至沒有給出任何暗示去怎麼釋放這些能量。一旦你瞭解了核裂變並能測量質量缺陷之類的東西,它會簡明地解釋巨大的能量來自哪裡,但它不會告訴你怎樣去釋放。



愛因斯坦的其他主要理論工作呢,包括狹義相對論和廣義相對論,它們與原子彈製造完全無關。原子彈內部發生的物理過程就是物理學家所說的”非相對論性的。“相對論通常只在你談論大速度(如光速的很大一部分)或大質量(如引力場)時才顯示出它的威力,而這兩者都不能與原子彈相提並論。你可以在計算製造原子彈時忽略相對論。



愛因斯坦1905年的論文(其中E=mc²是其中之一)做確實在隨後的發展中發揮了作用,但也許不是直接的人們認為的那種。E=mc²並沒有激發物理學家開始研究將質量轉化為能量的過程——他們已經通過一個完全獨立的(也是更早的)發展路線,即放射性科學和粒子物理學來研究這些過程。例如,居里夫婦、盧瑟福等人已經仔細研究了通過核反應釋放出大量能量的事實在前(1905年)。



可以說,愛因斯坦在這方面所做的最重要的工作是他在光電效應方面的工作(為此他獲得了1921年諾貝爾物理學獎),這有助於建立普朗克能量量子思想的物理現實,這有助於啟動對量子理論的認真研究。這對後來的物理方向有很大的影響,即使愛因斯坦本人對隨後幾十年發展起來的量子力學並不十分滿意。



然而,相對論中有沒有任何一項工作引領物理學家走上了最終在1939年發現裂變的道路?哈恩、邁特納和斯特拉斯曼在柏林進行的鈾裂變發現實驗本身就是費米在1934年前後所做工作的仔細複製。費米的工作直接來自核物理實驗室,在那裡物理學家用各種亞原子粒子轟擊物質來觀察發生了什麼。1932年查德威克發現中子是一種新的亞原子粒子,這直接影響了它。這是盧瑟福和他的學生從1910年代初到1920年代在原子理論和原子建模方面所做的工作的結果。這種早期核物理最直接地來自前面提到的19世紀晚期放射性和實驗物理的背景。



這些都與愛因斯坦的工作沒有強烈的直接聯繫。他們有一些興趣上的重疊(例如玻爾是盧瑟福的學生),但是致力於這類實驗問題的團體與愛因斯坦本人從事的更為理論化的團體並不完全相同。如果我們奇蹟般地把愛因斯坦的早期工作從這個等式中移除,原子能輸出會有很大變化嗎?可能會有一些重組,但我認為盧瑟福還是會繼續做他的事情,從其他導致曼哈頓工程的工作中,會有一些不同的風格或時間變化。



還有其他物理上更直觀的方法來計算(或測量)裂變反應釋放的能量。如果你把裂變過程簡單地看作是基於兩個裂變產物的靜電排斥,你會得到基本上相同的能量輸出。這就是裂變物理學在實際物理課上經常被教授的方式,因為它給你一個更具體的指示怎麼這種能量正在釋放。製造原子彈還涉及到其他更微妙的物理問題,其中一些問題以某種方式影響著愛因斯坦。但是即使你以某種方式想象一個愛因斯坦質能公式從未存在過的世界,原子彈的物理學仍然會運行良好——愛因斯坦的具體技術工作根本不是問題的核心。我們也沒有提出如果沒有愛因斯坦,某種形式的相對論是否會被發現的問題。答案很可能是“是的”,因為在相同的物理領域有人在研究類似的問題,一旦人們開始密切關注放射性物理學,他們就必然會偶然發現質量-能量關係。當然,這並不是貶低或低估愛因斯坦對物理學的影響。愛因斯坦之所以成為“愛因斯坦”,是因為他,一個人,同時完成了大量的理論綜合。但是如果他沒有這樣做,沒有理由認為其他人不會單獨提出他的理論見解,即使稍微晚一點。

總結一下,愛因斯坦在原子彈的製造中發揮了作用嗎?當然。他的物理學並不是無關緊要的,他給羅斯福的信確實開始了這項工作的一個階段。但是這兩件事都不如時間雜誌封面的理解使他成為曼哈頓計劃的核心,如果你能奇蹟般地將愛因斯坦質能公式消除,原子彈就不會在它實際製造的時間出現。我認為你不能以任何直接的方式把原子彈歸功於愛因斯坦。愛因斯坦做在事物中扮演一個角色,但是這個角色並不像很多人想象的那樣重要或直接。如果你能神奇地將他從歷史中剔除,我認為就原子彈而言,幾乎不會受到影響。


那麼,為什麼愛因斯坦和原子彈神話仍然存在?為什麼每個人都知道愛因斯坦的信,如果它不是真正引發曼哈頓計劃的話?我想這裡有兩個答案。一是愛因斯坦在戰前就是20世紀最著名、最受認可的物理學家之一,是革命性科學和天才的同義詞。讓他在1905年用質能公式“預測”原子彈——在原子彈爆炸前40年——是人們喜歡的“天才故事”,即使它掩蓋的比它啟發的多。這也具有很高的諷刺意味,因為愛因斯坦在納粹掌權時被迫逃離德國。

但是還有另一個,也許更成問題的方面。在使用原子彈這種武器後,美國政府立即有目的地鼓勵擴大愛因斯坦的作用。(對愛因斯坦來說,這甚至是一個方便的神話,因為它誇大了他自己的重要性和潛在的影響。將原子彈掛在愛因斯坦的頭上是一種自我辯護的行為。在公眾眼裡,愛因斯坦是世界上最偉大的天才,他是一位著名的和平主義者,實際上是一位科學聖人。畢竟,如果愛因斯坦認為製造原子彈是必要的,誰能和他爭論呢?


軍機處留級大學士


並不是,原子彈原理不是由愛因斯坦方程指導出的,而是科學家通過核裂變發現的,只是愛因斯坦方程能解釋為什麼會有這麼大的能量。原子彈和質能方程沒必然關係。


討厭被呼嚕吵醒的阿叔


這個問題應該這樣看:原子彈造出之前,愛因斯坦已經發表了質能方程,並且正是由於他本人給美國國會寫信,說可以藉助核物理理論,在放射性元素中,利用原子控制技術,釋放大量能量,用來製造超級炸彈……不過愛因斯坦並沒有提供相關技術,而且只是通過他的質能方程推導應該可行,從這個方面可以看出,儘管只是個導向性建議,但的確是“先有雞還是先有蛋”的問題……風語者原唱簡單回答,點贊謝過!


風語者034


是的,因為理論指導實踐、再從實踐完善理論。回答完畢


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