
爱因斯坦的质能方程 \(E=mc^2\) 是一个广义的能量表达式,它揭示了质量与能量之间的关系。在这个方程中,\(m\) 代表的是相对论质量,是一个包含动能和静能的总量。当物体的速度 \(v\) 接近光速 \(c\) 时,相对论质量 \(m\) 会变大,因此,物体的总能量(包括动能和静能)也会随之增加。
在低速条件下(\(v \ll c\)),相对论质量 \(m\) 约等于经典质量 \(m_0\),这时质能方程可以近似为 \(E \approx m_0c^2\)。然而,这并不意味着经典的动能公式 \(E= \frac{1}{2}m_0v^2\) 在相对论中完全失效。在相对论框架下,动能的表达式会更加复杂,为 \(E= \frac{m_0c^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}-m_0c^2\)。当 \(v\) 非常接近 \(c\) 时,这个表达式中的第一项会远大于第二项,这时经典动能公式才不再适用。
至于光子,它们在真空中的速度总是 \(c\),按照经典动能公式,它们应该具有相同的能量。但实际上,不同频率的光子具有不同的能量,这是由普朗克关系式 \(E=h\nu\) 决定的,其中 \(h\) 是普朗克常数,\(\nu\) 是频率。这表明,对于光子这类无质量粒子,传统的动能概念并不适用,它们的能量与频率有关,而非简单的速度或质量。