课外读物说课稿【一等奖】

科普讲座

《爱因斯坦的生死方程式》

今天，我们科普讲座的主题是《爱因斯坦的生死方程式》，首先我们来认识下爱因斯坦，爱因斯坦在本科毕业之后找不到工作，低落了很久，费尽周折才在同学父亲的帮助下找到一个专利局技术员的职位，1905年，突然爆发，一口气写了5篇论文，满怀信心地投给物理学界所有的顶尖杂志，谁知4,5个月过去没人理，心情低落到了谷底。。。当时的物理学家要么埋头做自己的东西，要么完全看不上这个物理学界外的，甚至连科学研究者都不算的年青孩子，要么完全看不懂这个人的论文，总之，至少能得3个诺贝尔奖的这5篇论文，被无视了至少5个月，最后终于被普朗克发现，就是发现光量子的那位，最后成为爱因斯坦的导师。爱因斯坦成名之后，普朗克和哈勃《德国化学先驱，发明人工化肥和芥子气的那位》专门跑到瑞士企图吸引爱因斯坦回国效力，在火车站，爱因斯坦跟他们说。你们先在瑞士转转，欣赏欣赏瑞士的美景，我回去考虑一下，如果等会我回来时手上拿的是红花，那么我跟你们回去，如果是白花你们就走，暂别之后，爱因斯坦在路上边走边合计，妻子已经习惯了瑞士，留在瑞士对家庭比较好，回国也不错，一来普朗克给出的待遇无法拒绝，二来还有表姐在国内，，表姐做饭做的很好，而且我们很有共同语言，不想妻子也是个搞物理的。。。普朗克等了好久，终于看到爱因斯坦，手里捧着一束红花。。。回到德国之后，爱因斯坦和妻子的矛盾越来越多，全靠化学家哈勃中间调停，但物理学家太有个性了，爱因斯坦给妻子列了清单1）以后做好了饭都要端到我房间。2）我不想说话的时候别来烦我。爱1

因斯坦的妻子当然无法接受，于是提出离婚。。。

面对离婚，爱因斯坦没有办法，只好说：我现在也没有钱，孩子的抚养费付不起，你看要不这样，将来我得了诺贝尔奖，奖金都给你。。。他妻子也不是盖的，回去用概率论算了一下，还咨询了哈勃问靠不靠谱，结果第二天就签了协议。。。爱因斯坦的心里是有数的，他肯定能得到诺贝尔奖。。。但我们今天讲的质能方程并没有获得诺贝尔奖，没有获得的原因是理论太超前，没有经过实验证实，不敢给爱因斯坦发诺贝尔奖，怕发错了被全世界笑话，爱因斯坦只获得一次诺贝尔奖，就是他提出的光电效应，因为实验证实了，其实他本可以获得很多次诺贝尔奖，只是他的理论超前，很多科学家看不懂，所以不被认可，其实爱因斯坦提出的理论都是正确的，我们今天就讲利用爱因斯坦的质能方程造出原子弹的故事，在1937年7月，爱因斯坦正在纽约外的海岸上度假，爱因斯坦其实是犹太人，他逃离了纳粹德国，是位天生的和平主义者，他不想理会在欧洲发生的暴行，只求能在和平中继续他的研究，但被来访者利奥.西拉德打断了，西拉德也是位卓越的科学家，是爱因斯坦在欧洲的旧交，西拉德来到这的目的是劝说爱因斯坦写封信给美国总统富兰克林.罗瑟福，因为爱因斯坦的信都会受到总统的注意，告诉罗瑟福总统德国人打算根据爱因斯坦的质能方程造出一颗原子弹，而如果他们正在造，美国也必须要采取行动了。我们先来了解下质能方程E=MC2，它是爱因斯坦天才的一个标志，他把质量和能量两个完全不同的概念以这样漂亮的方式结合起来了，众所周知，质量是每个物体所拥有的，而能量是运动的物体所包含的，事2

实上质量和能量是一样的，他们就像硬币的两个不同面，从某种意义上说，质量是等着被释放的能量，也就是说，质量可以转换成能量，能量也可以变成质量，并且给出了他们之间的定量关系，从这个表达式我们可以看出，你可以从一个极小的质量中得到极大地能量，这个简练的方程式意义深远，意味着一杯水的能量能够为伦敦供能一周，在不久之后，E=MC2还解决了地球上的生命谜题之一，太阳的能量从何而来，这一直困扰着科学家们，因为如果太阳只是像个巨大的篝火般的燃烧着，但通过计算显示，它在数百万年前早就该熄灭了，但爱因斯坦的方程说明了是什么为太阳提供能量，在太阳的内核，质量给不断的转换成能量，这是个可延数十亿年的过程，微小的粒子冲撞到一起的时候，在这个反应中损失的质量被转换成能量，不久人们开始考虑，如果E=MC2能解释太阳的供能，那我们可否在地球上利用它来产生能量，我们可否将原子中的能量释放出来以满足我们所需的，1933年，希特勒在德国掌权，德国是物理届的主要中心之一，其中一些科学界非常愿意与纳粹合作，渴望实现从原子中释放能量造出原子弹，并且已经在悄然进行了，他们已确定他们所需要的将质量转化成能量的物质种类，即放射能，比如说像镭和铀这样不稳定的元素，具有天然的放射性，会自发的裂变成更小的元素，就是为了变得更稳定，而在这裂变的过程中就会自发的向外释放能量，以放射能的形式，但不久科学家们就发现了一个问题，这种放射能能量太小，不足以能轰击原子能将原子中的能量释放出来，因此科学家们开始改进这种获得能量的方式，在德国，英国，美国都建起了大型的加速器，就为了3

获得更大的能量，从而将原子核破开，从而释放出潜藏在原子中的巨大能量。在起初，科学家们的期望值很高，但一次次遭受到了打击，遇到了爱因斯坦所说的问题，什么问题呢？就是你想获得原子释放的能量，你需要更大的能量去将原子核破开。而此时，西拉德意识到大家都在用一种错误的方式获得能量，不管是放射能还是加速器获得的能量都含有α粒子，而α粒子由2个质子和2个中子构成，它是带正电的，你们用带正电的粒子去轰击带正电的原子核，而根据同种电荷相互排斥，它们之间有斥力存在，正是因为这个斥力的存在，阻碍了α粒子将原子核粉粹的梦想，但西拉德意识到需要一个能够直接撞向原子核正中心的一种粒子，而他认为自己能够做到，就是最近发现的中子，中子它是一个亚原子粒子，只有一个α粒子质量的四分之一，关键是它不带电，若将中子撞向原子核，就不会有排斥现象，反而可能会与核子本身结合在一起，这样的话，原子核会变得非常不稳定，可能会再次分裂，如此这般，根据爱因斯坦质能方程计算，会释放出它巨大能量库的一部分，这是个惊人的发现，中子不带电，因而可以不偏不倚的接近核子，甚至可能粘在一起并发生反应，实际上那是中子对核子施加的冲撞，类似于月球撞上地球的效果。使用中子只是西拉德首个灵思，他接着有了另一个想法，而这个想法对于原子弹的制造至关重要，西拉德计算出，如果用一个中子撞击一个原子，当原子分裂时，它不仅仅会释放能量，还会多出2到3个中子，而这些中子接着可能会进一步的分裂其它原子，每一次的撞击发生就导致一点微量的质量转化成巨大的能量，这连锁中每一步产生的能量会不断的翻4

倍再翻倍，这是个连锁反应，西拉德的想法如此卓越，就在于它头一次用这种方式从原子中获得能量，而不用注入大量的功，而你所要做的就是释放一个微小的中子，以引发一个不可遏止的连锁反应，产生的能量是空前巨大的,这让他很惊恐,因为他知道,他能想到,那么在纳粹德国的那些物理学家同样能想到,只是时间的问题,不巧的是,在德国柏林的一所实验室内德国研究组撞上了好运,他们成功的让核子分裂,也就是西拉德理论上连锁反应的第一个步骤,在当时的物理学上这是个巨大的突破,因为在那时之前这只是个理论,尽管理论很伟大,但也需要通过实验来证实,而正是这个实验的验证,它意味着理论的千真万确,在数月之内,纳粹德国开始贮备铀,稍后他们将建立一个军事炸弹项目,纳粹的财力大量投入裂变的研究,核子物理将要应用于战争,对希腊的来说,科学是不可能中立的,同时西拉德意识到人类的命运如今就在科学家们的手中,于是他决定利用这个时代最负盛名的科学家之声望及影响力来警告自由世界纳粹德国原子弹出现的可能性,西拉德的使命是向爱因斯坦说明,他于1905年构思出的公式E=MC2在铀元素的作用下有着全新而可怕的应用,而西拉德是那种坚信自己肩负拯救世界之使命的人,而突然间通过一个科学发现,产生了一个世界可能需要被拯救的非常现实的情况,西拉德告诉爱因斯坦关于他最近的连锁反应的研究工作,以及这个突破意味着原子弹的造成切实可行,于是爱因斯坦也害怕纳粹德国先造出来,于是写了封信给美国总统罗斯福,罗斯福当时的回应是”因此你担心纳粹会把我们都炸上天”爱因斯坦简单的回应”是的”,如此这般,罗斯福马上召5

来了军事助理并指示这需要采取行动,如今的问题在于谁会首先造出原子弹,是美国还是纳粹德国,在新墨西哥州的荒野,美国政府设立了代号为”曼哈顿”的绝密计划,爱因斯坦的信促成了世界上还仅所未见的科学和军队之间规模空前的合作,政府花费了约22亿美元,而换算成当今美元的话,就相当于400或500亿美元,与将人送上月球费用相当,这被认为对于盟军的安危是绝对至关重要的,曼哈顿计划,将一些物理界中最为杰出的头脑聚集起来,其中有许多是逃离纳粹的欧洲科学家们,包括西拉德,爱因斯坦自己并不在其中,他也不愿意,科学家们受到纳粹可能抢先得逞这种担心的驱策,没日没夜的研究,但在炸弹完成前的某个日子,即1945年5月,所有的谋划都变了,纳粹投降了,欧洲战争现已结束,对于曼哈顿计划的一些科学家,以及对于爱因斯坦来说,当时美国已经没有使用原子武器的理由了,因为纳粹德国已经投降了,大部分科学家是理想主义者,其中一些是非常天真的理想主义者,爱因斯坦也许就是其中之一,他确实站在抵抗的角度来考虑,力图阻止德国人用上这种原子武器,尽管不再有从德国来的任何威胁,但在美国的国家实验室对原子弹的制造仍在继续着,在1945年7月纳粹战败后的2月炸弹已成形,此时对抗日本的血腥战役仍如火如荼进行着,将军们以及政治家们相信这种原子弹,它可以使战争迅速结束,并挽救数千条盟军性命,这正是西拉德所担心的,害怕这种原子弹在没有事先给予特别警告的情况下就给用上了,他在同僚中组织了一个请愿活动呼吁总统给予这个警告,但确无法阻挡住这种炸弹的使用了,因为他们已斥巨资,他们已获得了可以迅速赢得战争的一种6

武器,而在那种情形下,他们会用上它,目标已选定,即日本城市:广岛,在1945年8月,一个晴朗的早晨首枚原子弹被投下了,它在空中坠落了43秒,然后由一粒中子引发了西拉德的连锁反应,当首个铀原子分裂,其释放出的能量,仅能够使一颗砂粒动一动,接着的连锁反应一发不可收拾,到连锁反应的最后一步,有近两百万的百万的百万级的铀原子产生裂变,近0.6克的质量给转化成惊人的12.5千顿TNT的能量,都仅仅在十分之六之微妙时间内,这就是连锁反应及爱因斯坦质能方程的力量,仅0.6克的质量转化出的能量就夷平了城市,这颗依照现代标准来说相当小的广岛原子弹差不多是瞬间致7万人死亡,导致的辐射病以及火灾造成了另外7万人的死亡,它摧毁了城市的80%或90%的建筑,这绝对是毁灭性的,而世界也将从此改观,这场全然的破坏都因为E=MC2的应用而产生,爱因斯坦对于广岛事件是惊骇的,他没想到他的公式首次以这种形式向全世界进行了论证,爱因斯坦认为他对于原子弹的发展负有一些责任,因为没有他于1939年写给罗斯福总统的信,不会有炸弹能得以在1945年给投在广岛上,爱因斯坦的信至关重要,因为要是没有它,美国就不会开始及时的制造这种炸弹,咱们中国的抗日战争可能会长久些,咱们中国人得感谢爱因斯坦,感谢那帮物理学家们,在爱因斯坦的晚年,他开始坚信书写那封信是一个错误的决定,当世界核子武器军备竞赛开始时,他的不安感也增长起来,爱因斯坦意识到这些核子武器对整个世界来说是一种威胁,他曾说道,子弹杀人,核子武器灭城,在他看来,那种威胁对未来造成的危险比其它的都要更为迫切.在他生命的最后10年当中,爱因斯坦再度用上了7

他的声望,这一次是警告全世界正面临着灭绝的危险,他积极活动反对核子武器的扩散和发展,他的最后行为之一就是签署了份公共声明号召全世界的领导人结束战争,核子武器使用的可怕性,你们是要人类灭亡,还是放弃战争呢?难道这点都不清楚吗?为此,爱因斯坦认为他的质能方程式是破坏性等式,是让人类灭亡的等式,为此一直闷闷不乐.其实,爱因斯坦的质能方程也是创造性等式,也是让人类产生的等式,遗憾的是爱因斯坦生前未能见到他的等式也是创造性等式,它的等式可以用来解释”宇宙大爆炸”的能量爆发,我们从这等式可以看出,一份质量可以转换成巨大的能量,其实能量也可以重新浓缩为质量,150亿年前,宇宙大爆炸中发生的一个纯能量奇点,经过数十亿年的时期发展并浓缩为材料和物质,那种大爆炸的能量慢慢地转化为构成宇宙中万物的物质,你可以将早期宇宙经历想象为一个漫长的E=MC2的实现过程,宇宙始于一个能量团并慢慢转化为物质,我们银河系中的一切,以及我们星球上的一切,甚至于我们,在某种意义上所有一切都起因于正潜在运行着的爱因斯坦等式,因此已发生的一切及我们在此的原因,正是以E=MC2为基础.所以说他的等式也是一个创造性等式,即生死方程式,一个等式着眼于不朽,一百多年前,当他演绎出质能方程时,爱因斯坦丝毫不知道他那公式会引向何方?E=MC2将改换科学的面貌,以及我们对于世界的理解,为善亦为恶…

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