萬綠叢中一瓢蟲

我們都知道原子彈是很有殺傷力的核武器之一，很多人都以為是愛因斯坦理論導致了原子彈的發明，其實都是子虛烏有的事情，愛因斯坦和原子彈的發明並沒有直接的聯繫，只是提供了理論支持。

原子彈的理論

原子彈是利用容易裂變的重原子核在裂變瞬間釋放巨大能量的原理而發生爆炸的。能夠製造原子彈的重原子核就是我們所熟知的鈾235和鈈239，而鈾235在自然界中的存量是非常有限的，而且鈾235和鈾238混在一起，它們高度相似，不好分離，這就要利用離心機把鈾235從鈾238裡面甩出來。

愛因斯坦的質能方程可以用來解釋核變反應中的質量虧損，其表達式為E=mc^2，其中E是能量，m代表質量，而c則表示光速（c=299792.458km/s）。

質能方程指出物體的質量是其能量含量的量度，簡單來說就是質量越大能量越大，也說明了說明，物質和物質可以相互轉換。利用相對論質增關係，然後結合動量定理和動能定理，就推導出了質能方程，推導過程中我們發現並沒有涉及任何原子核的事情。

總結

核彈都發生在原子核內部，質能方程頂多是質量很小的物體也有很大的能量，但是沒有告訴後人怎麼釋放原子核內的能量。所以愛因斯坦當時是並不知道原子核可以釋放能量。

星球上的科學

原子核內蘊含巨大能量是由質能方程計算的，所以題主這個問題關鍵在於愛因斯坦咋得出質能方程的

首先我們運用狹義相對論中的質速關係：

從上可知，物體的質量會隨著速度v的變化而變化。當v趨近於光速c時，物體質量m會增大到無窮。所以對於有靜質量的物體，光速是不可能達到的。

其次牛頓第二運動定律微分方程如下：
最後
結合上述兩式，利用質速關係對牛頓第二定律中的物體質量進行修正，可計算出物體在速度為v時所具有的動能：
在上式中，mc^2表示物體在速度為v時所具有的能量，m0c^2表示物體在相對靜止時所具有的能量。於是，就能得到質能方程：

從質能方程中可知，質量和能量在本質上是等價的。

• 質量在某些情況下會轉變為能量，例如，核裂變、核聚變等。
  
• 能量在某些情況下也會轉變為質量，例如，布萊特-惠勒過程、宇宙創生過程等。

有初有終

核裂變其實和愛因斯坦沒啥關係

很多人總是會把愛因斯坦和原子彈甚至是氫彈聯繫到一起，甚至還有很多人認為質能方程是製造原子彈的原理。那愛因斯坦到底和原子彈有沒有直接的關係呢？質能方程真的是製造原子彈的原理麼？

實際上，並非如此，如果非要找到愛因斯坦和原子彈之間的關係，那只有兩件事，一個是愛因斯坦在一份支持製造原子彈的請願書上籤了字，以及後來美國把原子彈投到日本本土之後，愛因斯坦極力反對原子彈的製造。也就是說，愛因斯坦從頭至尾就沒有闡述過如何製作原子彈，更沒有參與制作原子彈。甚至因為他是和平主義者，他很反對原子彈。

質能方程是幹嘛的？

質能方程也就是E=mc^2，也被叫做質能等價，說的是質量和能量的對應關係。他是愛因斯坦在1905年的時候提出來的。

它實用性非常廣，並不僅僅在原子彈上,還可以運用到任何涉及到能量和質量的場合。所以，它和原子彈的關係僅僅是解釋了原子彈的威力為什麼這麼大。原子彈的爆炸威力和原子的原理本身是兩回事。我們可以再具體一點，質能方程指出的是如果物質的靜止質量發生虧損，這部分虧損的質量可以對應能量，具體可以用E=mc^2來計算，僅此而已。那我請問了，知道這樣的原理，有誰能做出原子彈麼？並不能。

所以，認為質能方程是原子彈的原理這本身是因果倒置了。

原子彈的原理

原子彈的原理是核裂變，它是較重的原子（這裡指的是原子序數較大的原子），一般是指鈾或鈈發生裂變，裂成相對較輕的原子（這裡指的是原子序數較小的原子）。

上文也提到了，質能方程是1905年提出來的。而核裂變其實是1938年，由莉澤·邁特納、奧托·哈恩及奧托·羅伯特·弗裡施等科學家提出的。也就是說，真正讓科學家瞭解如何製作原子彈是在質能方程被提出後33年才被提出的。

不過，要真的製備原子彈，光靠一次核裂變是不夠的，而是要持續的核裂變，這也被稱為鏈式反應。

具體來說，鏈式反應是這樣的：

當重元素（原子序數大的元素）原子裂變後，釋放出一些自由中子，這些自由中子在發生衰變之前又去撞擊其他原子，進一步引發核裂變，只要核燃料足夠多，就可以源源不斷地引發核裂變反應。

原子彈的威力為什麼這麼大？

其實上文也提到了，原子彈威力之所以大是因為出現的靜止質量的虧損。比如說：U235發生核裂變的過程，大概就是吸收一箇中子，變成U236的原子核，然後快速裂變成快速運動的兩個元素序數小的原子核，同時釋放出三個中子，伴隨著

反應前的靜止質量是要大於反應後的靜止質量，把虧損的靜止質量乘以c^2（E=mc^2），我們就可以知道，原子彈反應過程中釋放出來的能量。所以，原子彈的威力如此巨大，就在於反應前後的靜止質量有虧損，而對應的能量是靜止質量乘以c^2，這裡的c指的是光速，取值近似3*10^8m/s，再開放就是9*10^16，因此，即使是微小的靜止質量的缺失，都會帶來巨大的能量。

最後，我們來總結一下，

鍾銘聊科學

愛因斯坦只是基於兩個公設：光速不變性和相對性原理，通過數學推導，重新推導物理公式在高速運動或非慣性參考系下的變化，然後得到了很多他相信的或不相信的結論。

當然，他的想法也不是憑空出現的。一個重要原因是麥克斯韋的方程組揭示了電磁波的速度與參考系無關，這顛覆了牛頓的絕對時空觀。於是，很多科學家嘗試解釋這種新的現象。洛倫茲就是一個先驅，他在伽利略座標變換基礎上提出來洛倫茲變換，已經可以解決高速運動下的動力學問題，其公式已經與狹義相對論的運動公式一樣了。但是，洛倫茲，沒有能夠解釋這種變換的本質和原因。而愛因斯坦則跨出了更大一步，從根本上重新探討運動、空間、時間、質量等問題，通過兩個簡單公設，得到了狹義相對論。後來，又進一步將引力加入到相對論中，得到了廣義相對論。

而能量方程、宇宙常數、引力波等都只是相對論的一個推論，當時也沒有物理學實驗驗證，經過幾十年上百年才慢慢地被驗證。說明愛因斯坦的思維遊戲、公設、推導過程是符合我們這個宇宙性質的！黑洞理論是另一個科學家根據相對論計算得到的一個結果。

說明人類的思維、演繹和推理能力，認知結果已經超越了眼睛觀察的內容。從牛頓的萬有引力定律（計算和預測了海王星和冥王星的存在），到麥克斯韋的電磁理論（預測了電磁波的存在，光是電磁波，光速不變），再到愛因斯坦的相對論，它們都預言了大量當時人類未知的東西，甚至得到了他們自己都不怎麼明白的結論，但是卻被後人所證實。這也是理論物理的魅力。

RaymondIT

頭條同類型的問題需要整合一下，去年回答過一個類似的問題。

敲黑板，愛因斯坦在寫下質能方程的時刻並不知道原子核內部蘊含有巨大能量，也沒有想到這個方程30多年後可以用來計算核反應釋放能量的大小。

愛因斯坦質能方程的提出和發現核裂變現象的時間軸是這樣的。

在1905年之前，物理學中公認的大神是牛頓，整個物理學的架構都是在牛頓力學的基礎上發展起來的，1905年開始，愛因斯坦連續發表幾篇重量級論文，其中就包括提出狹義相對論的《論動體的電動力學》，論文中愛因斯坦第一次將能量和質量兩個不同的概念聯繫到了一起，中間用了物理學中非常嚴苛的“=”，這就是質能方程E=mc²，這在經典力學中是不可想象的，因為在此之前等式兩邊是兩個獨立的概念。

狹義相對論最初並沒有獲得別人的認同，尤其是提出光速在任何慣性參考系中都是不變的，這個理論根本無法接收，但是狹義相對論確實解釋了一些經典物理無法解釋的問題，如一些電磁現象，後來才逐步被物理學界認可，這是後話。

發現核裂變的1938年事情，著名物理學家哈恩和女核物理學家邁特納共同發現了這一現象，發現過程也是無意的，實驗的本來目的是用中子轟擊鈾原子核得到質量數更大的原子核，但是實驗總是失敗，得不到比鈾原子更重的原子，出現了一些比鈾更小的原子，當時並不知道原因，後來邁特納才提出了核裂變的概念。

圖釋：晚年的邁特納和哈恩

在核裂變之後，邁特納和哈恩進一步發現這個過程還釋放出了能量，公開發表以後，有科學家意識到愛因斯坦30多年前發表的質能方程就可以計算出這個過程釋放的能量，其中就有在德國軍隊中任職的核物理學家，向希特勒提出了研製原子彈的計劃。

最後，愛因斯坦質能方程其實無法深入解釋核裂變釋能的過程，僅能對此過程放出能量作出初步解釋，而無法進行機理性的解釋。

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核先生科普

原子彈沒發明出來之前，愛因斯坦是如何知道原子核裡面有著巨大神秘的力量的？

愛因斯坦和原子彈其實沒什麼關係

很多人都以為愛因斯坦和原子彈有關係，並且很多人甚至以為愛因斯坦設計出了或者解釋了原子彈的原理。實際上，並不是這樣的。

1905年，愛因斯坦提出了質能方程，E=MC^2。

但是，僅此而已。就拿著這個公式，你根本造不出原子彈。所以，愛因斯坦的質能方程並非是用來造原子彈的原理，那質能方程和原子彈有啥關係呢？

原子彈的原理

我們拿鈾-235來舉例子，如果用一箇中子轟擊鈾-235的原子核，就會分裂出鋇和氪，並且釋放出2-3箇中子。

反應後的物質總質量要小於反應前的物質總質量，損失的質量會都轉化成能量。因此，根據質能方程：E=MC^2，可以計算出，釋放了大概200兆電子伏的能量。

釋放出來的中子還能夠繼續去轟擊其他的鈾-235，引發一系列的核裂變反應，這就被稱為鏈式反應。

所以你看，其實原子彈的原理和質能方程無關，只有解釋原子彈爆炸威力時才需要用到質能方程。

而原子彈這樣的原理自來於核物理學家們對於原子核的研究，他們不斷地轟擊原子核，發現了原子核內部還有質子和中子，並且發現了衰變現象等等。通過對於原子核的研究，科學家才找到了製造原子彈的原理。

所愛因斯坦其實並非是研究和物理方面的科學家，這屬於量子力學領域的。而愛因斯坦的主要貢獻在相對論領域。這也是為什麼後來研發原子彈的科學家都是量子力學相關領域的科學家，而非愛因斯坦。所以，也就不存在原子彈被髮明出來之前，愛因斯坦就知道原子核連有著巨大神秘力量的問題。

實際上，原子彈被研製出來，並且投放在日本之後，愛因斯坦是很震驚的，而且他後來很反對原子彈。

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答：質能方程是愛因斯坦在1905年提出來的，那時候人類還不不知道核聚變與核裂變，也不知道原子核中蘊藏著巨大能量。

在質能方程發現以前，科學家對太陽能量來源一直存疑，化學能是我們常用到的能源，以燃值最高的氫氣來說：

2H2+O2=2H2O，ΔH=-286KJ/mol；

假如太陽所有物質，都是氫氣和氧氣按照方程比例混合，那麼以目前太陽的發光強度，太陽的所有燃料只夠維持2.5萬年的時間，這是遠遠不夠的。

後來人類發現了原子的聚變與裂變現象，並伴隨著質量虧損，如果以相對論質能方程來看，將釋放巨大能量；以氕核聚變為氦-4來看，如果太陽最初全是氕核，那麼太陽質量的氕核，足夠太陽燃燒300億年的時間。

核聚變是澳洲科學家馬克·歐力峰，在1932年發現的；核裂變是德國科學家奧托哈恩在1938年發現的，此後人類打開了原子能的大門。

愛因斯坦是通過他的狹義相對論，推導出質能方程，在愛因斯坦最初的論文中，質能方程描述為：

m=E/c^2；

雖然和現在的E=mc^2形式，只是一個變換的關係，但是意義上有微小區別，質能方程描述了質量和能量是統一的。在原子核中蘊藏著巨大能量，實際上在原子核與核外電子之間，也蘊藏著能量。

一個質子與電子結合為氫原子，質子和電子由於庫侖力相互吸引，在兩者相距無窮遠時，總勢能為零，隨著質子和電子相互靠近，勢能減小為負值，電子動能增大。

當質子完全捕獲自由電子後，自由電子成為核外電子，並釋放光子，此時整個氫原子的質量會略有減小；也就是說一個氫原子的質量，是小於質子和自由電子質量之和的，而損失的質量，被激發光子帶走了，這就是質能方程的意義之一。

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艾伯史密斯

很多人認為是愛因斯坦的理論指導了原子彈發明，這其實是謠言。

上圖是由兩張圖片合成的，愛因斯坦本人從未出現在原子彈的爆炸地點，並且他和原子彈之間沒有直接關係，愛因斯坦知道原子核中含有巨大能量，也僅僅是從質能方程間接瞭解的。

質能方程的發現

1905年，愛因斯坦首次提出狹義相對論的概念，並從洛倫茲變換中推導出了質能方程。揭示了質量和能量之間的轉換關係，非常小的質量虧損在光速平方的作用下，都可以產生巨大的能量。

1939年，德國科學家哈恩和斯特拉斯曼在用慢中子轟擊鈾核時，首次發現了原子核的裂變現象，發表了核裂變論文。到了1945年，第一顆原子彈在美國試爆成功，從此打開了潘多拉魔盒。

從時間線可以知道，原子彈的誕生和愛因斯坦並無關係，只是原子彈爆炸的原理可以通過愛因斯坦的質能方程解釋而已。

核反應為什麼有如此巨大的能量？

根據質能方程E=mc²可知，1千克的質量虧損可以產生9×10的16次方焦耳的能量，而1噸TNT當量等於4200兆焦耳，廣島原子彈相當於1.5萬噸TNT當量。

如此換算下來，1千克的質量虧損，相當於投放了1400顆廣島原子彈。

1千克物質完全燃燒和它完全轉變成能量，為什麼兩者的威力會相差那麼多呢？這是因為燃燒只是化學鍵的斷裂和重組，質量是守恆的；而核反應已經涉及到了原子內部的變化，一旦質量有虧損就會釋放巨大的能量。

本質上來說，核反應的威力來源於原子核。

原子核內粒子的作用力，屬於四種基本作用力中的強相互作用力。

強相互作用力在一定範圍內是恆定的，不會像引力那樣距離越近引力越大，夸克之間的強相互作用力大小在16萬牛頓左右，原子核內粒子的強相互作用力也在1萬牛頓以上。

這只是一個原子核所具備的力，原子彈爆炸會利用中子撬起原子核的能量。

例如，鈾235原子核被一箇中子撞擊後，裂變成一個鋇原子和一個氪原子，併產生2箇中子，2箇中子會繼續轟擊其它鈾235，發生鏈式反應。

前後的質量是不相等的，虧損質量轉化成了201兆電子伏的能量。即便是原子彈這樣威力強大的武器，它的質能轉換率也只有0.135%，也就是1千克重的核原料，只有1.35克轉化成了能量；而氫彈的轉化率大約在0.7%左右，如此低的轉化率都能釋放巨大能量，得益於核力的強大。

愛因斯坦的質能方程E=mc²並不只適用於微觀物體，宏觀物質一樣適用。只要能達到光子與光電磁轉化等條件，理論上一張紙也可以釋放爆炸性威力，因為紙也是由原子構成的。

科學薛定諤的貓

愛因斯坦的質能公式E=MC^2是怎麼來的？

幾乎人人都聽說過愛因斯坦寫下了著名的E=MC^2，把質量和能量聯繫在了一起，甚至於還拉上了神秘的光速，但是這個公式是怎麼來的，又有什麼意義呢？

我們都知道，愛因斯坦發現了狹義相對論，也知道狹義相對論裡面有一個著名的“鐘慢尺縮”效應，意思就是一個運動的物體，對它而言時間會更慢，尺寸也會縮小。

但是除了“鐘慢尺縮”之外，狹義相對論還有一個很重要的推論，那就是運動的物體會更“重”，也就是質量會更大。而“質增”、“尺縮”、“鐘慢”就是狹義相對論裡面提出的三種特別的現象。

公式放在這裡，我們卻可以由此推導出來很多匪夷所思的性質，而質能公式E=MC^2就是從這些推論中來的。

剛剛說到物體變得更重了，這就意味著你想要用同樣的力推動一個不同速度的物體，讓這個物體運動的更快，結果發現因為物體的質量不一樣，所以你把物體提高相同的速度，實際上花費的能量是不一樣的！

這個現象就導致了人們自然而然地問出來一個問題：我用同樣的能量推動一個物體，為什麼物體動能增加的不一樣？那些消失的能量去哪裡了？

一邊是神秘消失的能量，一邊是神秘增長的質量，於是答案呼之欲出：原來質量和能量是一回事！

下圖是一個很簡略的推導過程，實際上的推導要嚴謹很多，但是從中我們也可以看到質能公式的影子。這個推論是非常偉大的，居然在狹義相對論中找到了質量和能量之間的關係。

但是愛因斯坦很有可能真的不知道自己的質能公式可以用來解釋原子核中的巨大能量。

愛因斯坦雖然是一個偉大的物理學家，但是他本身不是工程師，核彈之類的東西他本人可能並不是非常擅長。把質能公式運用到核反應中的，並不是愛因斯坦本人，而是另有其人，這個人就是原子彈之母，第一個理論解釋核裂變的瑞典物理學家——莉澤·邁特納。

核裂變最早是由奧托·哈恩於1938年發現的，也就是鈾原子核在被中子撞擊之後分裂為兩個原子核，同時放出巨大的能量。但是這位科學家只是發現了有核裂變這個現象，至於說為什麼，他自己也不清楚。

這個時候一位名叫莉澤·邁特納的女科學家（如下圖所示）看到這種獨特的核反應，並且注意到了核裂變之後的原子核總質量比裂變前的原子核小，忽然靈機一動，想到了愛因斯坦的質能公式。

根據她的計算，因為這損失的質量，每個鈾原子核裂變之後會放出2億電子伏的能量——這就完美解釋了原子核裂變的能量來源！當然，也間接證明了質能公式的正確。

所以，原子核中蘊藏的巨大能量可能是愛因斯坦本人都沒有預料到的，他只是寫下了質能公式，可能他自己也不知道這個公式到底在現實中有怎樣的體現。

愛因斯坦寫下了質能公式，卻被另一個科學家用來解釋毫不相關的核反應，歷史就是這麼巧妙。

航小北的日常科普

這是誤解，一些人以為一個質能方程（E=mc²）就能發明原子彈？質能方程只是闡述了質量和能量的關係，表明的質量和能量是統一的，能夠用來解釋為什麼核反應會釋放出這麼多的能量，但是不能解釋為什麼會發生核反應。

愛因斯坦在1905年提出質能方程的時候，湯姆遜已經發現了原子中存在電子，雖然原子內部結構模型滿天飛，但是物理學家盧瑟福在1912年才發現了原子核的存在，愛因斯坦當時根本不可能知道自然界中存在核反應。因此，原子彈的原理和設計都與愛因斯坦無關，愛因斯坦只是一名偉大的理論物理學家，並不是工程師。

愛因斯坦與原子彈的發明並沒有太大的關係

在納粹德國稱霸歐洲的時候，英國情報機構就發現了納粹德國計劃製造原子彈，而負責實施這一計劃的主要科學負責人就是作為量子力學的主要創始人之一的海森堡。

在愛因斯坦受到納粹迫害時，他前往了美國。在知道納粹德國希特勒正在計劃造原子彈時，在科學界的朋友的推舉下，1939年由愛因斯坦牽頭給時任美國總統的羅斯福寫了一封，希望美國務必趕在德國之前造出原子彈。後來當愛因斯坦知道納粹德國當時並沒有足夠的能力造出原子彈，他為自己當初寫的那封建議信感到後悔。不過原子彈的發明和使用加快了日本的投降，挽救了很多無辜人員的生命。

原子彈本質上是核能的發現與應用。既然核能的發現與愛因斯坦沒有關係，那核能是怎麼被發現的呢？

先來看一看原子的認識之旅：

在古希臘時代，哲學家們就認為物質是由微小的粒子構成的，這一古代原子論以德謨克利特為主要代表。17~18世紀，在眾多化學家的努力下，道爾頓總結前人的經驗提出了近代原子理論，這標誌著“物質是由原子構成的”這一觀點正式被科學家們廣泛承認。

1897年湯姆遜在研究陰極射線時發現了電子；1912年盧瑟福通過阿爾法粒子散射實驗發現了原子核；1918年盧瑟福用阿爾法粒子轟擊氮氣時發現了質子，還預言了中子的存在；由於中子不帶電，到了1932年才由盧瑟福的學生查德威克證實了中子的存在。

（上圖為盧瑟福，他為人類認識原子結構做出了重要貢獻）

核反應及核能的發現：

1896年貝克勒爾在研究鈾礦石時發現鈾具有放射性，鈾發出的射線能夠使空氣電離。此後，以居里夫婦、盧瑟福和索迪為代表的科學家為放射性的研究做出了重要貢獻，居里夫人還因此患上了癌症。原子的放射性和衰變的發現為核反應的發現及核能的應用奠定了基礎。

（上圖為正在做實驗的居里夫人及其丈夫皮埃爾·居里）

世界上第一次人工核反應是由盧瑟福在1918年實現的。當時盧瑟福用天然放射性物質阿爾法粒子轟擊氮，成功從氮原子核中分離出了質子。

在中子被發現之後，1938年德國物理學家哈恩在德國柏林用中子轟擊鈾，發現了核裂變反應，他的同事偉大的女性物理學家莉澤·邁特納首先用理論解釋了核裂變反應的原理。哈特發現核裂變反應可以釋放出比化學反應多上許多倍的能量。遺憾的是，哈恩意識到核裂變在軍事上的應用，當即就向希特勒提出了製造原子彈的具體計劃。

（上圖為核裂變的發現者奧托·哈恩）

在4年之後的1942年，美國物理學家費米在芝加哥大學建造了世界上第一個人工核反應堆，該反應堆採用的是鈾裂變鏈式反應，這是核裂變的第一次應用。第二次實際應用當然就是1945年的原子彈了。

核聚變反應則是由馬克·歐力峰於1932年發現的，他於上世紀50年代還在澳大利亞國立大學成立了專門研究核聚變的科研機構。

（上圖為核聚變反應的發現者馬克·歐立峰，而盧瑟福正是其導師，他為美國的曼哈頓原子彈計劃做出了重要貢獻。）

核反應為什麼能釋放出這麼多能量？

核反應過程中所釋放出的能量被稱之為原子能或者核能。

學過初中化學的可能都知道，化學反應過程中反應物與生成物的質量是保持不變的。而在核反應過程中，反應後存在質量虧損，而巨大的核能就來源於此。此時愛因斯坦從狹義相對論中得出的一個推論質能方程就派上了用場，用該方程就可以解釋為什麼核反應過程中會釋放出這麼巨大的能量。不過即使沒有質能方程，人類依然可以造出原子彈，只是不知道背後的原理。

（上圖為鈾235鏈式裂變反應示意圖）

（如圖所示，太陽所釋放出的巨大能量就來源於核聚變反應）

核反應過程中能量主要以光及其它亞原子粒子的形式輻射出去了。需要注意的是，能量不能單獨存在，物質就是能量的載體。所謂的質量變能量，實際上是物質轉變成了另一種形式。

理論上，重核聚變的質能轉化率為0.7% ，輕核裂變的質能轉化率為0.135%。即使這樣，核反應所釋放的能量也是驚人的，相同質量情況下核反應是化學反應所釋放能量的成百上千萬倍，僅1千克鈾235裂變後釋放的能量就相當於2500噸優質燃煤完全燃燒時所釋放的能量。

結語

原子彈的發明雖然和愛因斯坦沒有太大關係，但愛因斯坦那種熱愛和平的思想是崇高的，值得繼續傳承。

關鍵字: 原子彈 科學 發明