Более, чем любое другое уравнение Эйнштейна, E=mc² является наиболее узнаваемым для людей. Но что все это значит?
Ключевые выводы
- Хотя большинство людей могут назвать самое известное уравнение Эйнштейна, E=mc², очень немногие могут объяснить, что оно означает.
- Как оказалось, на самом деле с ним связаны три больших значения: для превращения энергии в массу и массы обратно в энергию и многое другое.
- Главный вывод заключается в следующем: масса не сохраняется сама по себе, и что процесс извлечения энергии из массы жизненно важен для Вселенной в целом.
В течение сотен лет существовал непреложный закон физики, который никогда не подвергался сомнению: в любой реакции, протекающей во Вселенной, сохраняется масса. Что неважно, что вы вложили, что отреагировало и что получилось, сумма того, с чего вы начали, и сумма того, чем вы закончили, будет равна.
Но по законам специальной теории относительности масса просто не может быть конечной сохраняющейся величиной, так как разные наблюдатели расходятся во мнениях относительно энергии системы. Вместо этого Эйнштейн смог вывести закон, которым мы пользуемся до сих пор. Он основан на одном из самых простых, но наиболее мощных уравнений, когда-либо написанных: E=mc2.
Ядерный ракетный двигатель, подготовка к испытаниям в 1967 году. Эта ракета приводится в действие путем преобразования массы в энергию, и E=mc^2. Экспериментальный ядерный ракетный двигатель, НАСА)
Самое известное высказывание Эйнштейна состоит всего из трех частей:
- E, или энергия, которая является полной частью уравнения и представляет собой полную энергию системы.
- m, или масса, которая связана с энергией коэффициентом преобразования.
- And c2, то есть скорость света в квадрате: правильный фактор, который нам нужен, чтобы сделать массу и энергию эквивалентными.
Нильс Бор и Альберт Эйнштейн обсуждают множество тем в доме Пауля Эренфеста в 1925 году. Дебаты Бора и Эйнштейна были одним из самых влиятельных событий в ходе развития квантовой механики. Сегодня Бор наиболее известен своим вкладом в квантовую теорию, а Эйнштейн более известен своим вкладом в теорию относительности и эквивалентность массы и энергии.
Смысл этого уравнения полностью меняет мир. Как выразился сам Эйнштейн:
Из специальной теории относительности следует, что масса и энергия - это два разных проявления одного и того же - несколько непривычная концепция для среднего ума.
Вот три основных значения этого простого уравнения.
Кварки, антикварки и глюоны стандартной модели обладают цветовым зарядом в дополнение ко всем другим свойствам, таким как масса и электрический заряд. Только глюоны и фотоны не имеют массы; все остальные, даже нейтрино, имеют ненулевую массу покоя.
1.) Даже покоящиеся массы обладают присущей им энергией Вы узнали обо всех видах энергии, включая механическую энергию, химическая энергия, электрическая энергия, а также кинетическая энергия. Все эти энергии присущи движущимся или реагирующим объектам, и эти формы энергии можно использовать для выполнения работы, например, для запуска двигателя, питания лампочки или измельчения зерна в муку.
Но даже простая, старая, обычная масса в состоянии покоя обладает присущей ей энергией: огромным количеством энергии. Это влечет за собой огромное значение: гравитация, которая работает между любыми двумя массами во Вселенной в ньютоновской картине, также должна работать на основе энергии, которая эквивалентна массе через E=mc2.
Производство пар материи/антиматерии (слева) из чистой энергии является полностью обратимой реакцией (справа), когда материя/антиматерия аннигилирует обратно в чистую энергию. Этот процесс созидания и уничтожения, который подчиняется E=mc^2, является единственным известным способом создания и уничтожения материи или антиматерии. Если бы можно было получить надежный, контролируемый источник антиматерии, аннигиляция антиматерии с материей предлагает наиболее энергоэффективную возможную реакцию: 100%.
2.) Массу можно преобразовать в чистую энергию Это второе значение уравнения, где E=mc 2 говорит нам точно, сколько энергии вы получаете от преобразования массы. На каждый килограмм массы, который вы превращаете в энергию, вы получаете 9 × 1016 джоулей энергии, что эквивалентно 21 мегатонне в тротиловом эквиваленте.
Когда мы сталкиваемся с радиоактивным распадом, ядерным делением или реакцией синтеза, масса того, с чем мы начинаем, больше, чем масса, с которой мы кончаем; закон сохранения массы недействителен.
Но разница в том, сколько энергии высвобождается! Это верно для всего: от разлагающегося урана до атомных бомб, ядерного синтеза на Солнце и аннигиляции материи и антиматерии. Количество массы, которую вы уничтожаете, становится энергией, а количество энергии, которое вы получаете, равно E=mc2.
Треки частиц, возникшие в результате столкновения с высокой энергией на БАК в 2012 году, показывают рождение многих новых частиц. Построив сложный детектор вокруг точки столкновения релятивистских частиц, можно реконструировать свойства того, что произошло и было создано в точке столкновения, но то, что создано, ограничено доступной энергией из эйнштейновского E=mc^2.
3.) Энергию можно использовать для создания массы из ничего… кроме чистой энергии Последнее значение является самым глубоким. Если вы возьмете два бильярдных шара и стукнете их друг о друга, вы получите два бильярдных шара. Если вы возьмете фотон и электрон и столкнете их вместе, вы получите фотон и электрон. Но если вы столкнете их вместе с достаточной энергией, вы получите фотон, электрон и новую пару частиц материи-антиматерии. Другими словами, вы создали две новые массивные частицы:.
- частица материи, такая как электрон, протон, нейтрон и т. д.,
- и частицы антиматерии, такие как позитрон, антипротон, антинейтрон и т. д.,
чье существование может возникнуть только в том случае, если вы вложите достаточно энергии для начала. Именно так ускорители частиц, такие как БАК в ЦЕРН, ищут новые, нестабильные, высокоэнергетические частицы (такие как бозон Хиггса или топ-кварк), в первую очередь: создавая новые частицы из чистой энергии. Масса, которую вы получаете, зависит от доступной энергии: m=E/c2 Это также означает, что если ваша частица имеет конечное время жизни, то из-за неопределенности Гейзенберга его массе присуща непознаваемость, поскольку ∆ E ∆ t ~ ħ, и, следовательно, есть соответствующее ∆ m из уравнения Эйнштейна. Когда физики говорят о ширине частицы, они имеют в виду присущую ей неопределенность массы.
Собственная ширина, или половина ширины пика на изображении выше, когда вы находитесь на полпути к гребню пика, измерена как 2,5 ГэВ: собственная погрешность около +/- 3% от общей массы. Максимальное значение массы рассматриваемой частицы, Z-бозона, составляет 91,187 ГэВ, но эта масса по своей природе весьма неопределенна.
Факт эквивалентности массы и энергии также привел Эйнштейна к его величайшему достижению: общей теории относительности. Представьте, что у вас есть частица материи и частица антиматерии с одинаковой массой покоя. Вы можете аннигилировать их, и они произведут фотоны с определенным количеством энергии, точное количество которого определяется формулой E=mc2
Теперь представьте, что эта пара частица/античастица движется быстро, как если бы они упали из космоса, а затем аннигилировали близко к поверхности Земли. Эти фотоны теперь будут иметь дополнительную энергию: не только E от E=mc2, но и дополнительную E от количества кинетической энергии, которую они получили при падении: от преобразование потенциальной энергии гравитации в энергию движения.
Если два покоящихся объекта материи и антиматерии аннигилируют, они производят фотоны чрезвычайно специфической энергии. Если они производят эти фотоны после более глубокого падения в гравитационное поле, энергия должна быть выше. Это означает, что должно быть какое-то гравитационное красное/синее смещение, не предсказываемое ньютоновской гравитацией, иначе энергия не сохранялась бы.
Если мы хотим сохранить энергию, мы должны понимать, что гравитационное красное (и синее) смещение должно быть реальным. Гравитация Ньютона никак не может объяснить это, но в общей теории относительности Эйнштейна искривление пространства означает, что попадание в гравитационное поле приводит к увеличению энергии, а выход из гравитационного поля приводит к потере энергии.
Полное и общее соотношение для любого движущегося объекта состоит не просто в том, что E=mc2, а в том, что E 2=m2c4 + p2c2. (Где p - импульс.) Только обобщая вещи, включая энергию, импульс и гравитацию, мы можем по-настоящему описать Вселенную.
Когда квант излучения покидает гравитационное поле, его частота должна смещаться в красную сторону для сохранения энергии; когда он падает, он должен быть синеватым. Это имеет смысл только в том случае, если сама гравитация связана не только с массой, но и с энергией.
Величайшее уравнение Эйнштейна, E=mc2, - это триумф силы и простоты фундаментальной физики. Материя имеет присущее ей количество энергии, массу можно преобразовать (при определенных условиях) в чистую энергию, а энергию можно использовать для создания массивных объектов, которых раньше не существовало.
Размышление о проблемах таким образом позволило нам открыть фундаментальные частицы, составляющие нашу Вселенную, изобрести ядерную энергию и ядерное оружие, а также открыть теорию гравитации, которая описывает, как каждый объект во Вселенной взаимодействует. И ключ к разгадке уравнения?
Скромный мысленный эксперимент, основанный на одном простом понятии: энергия и импульс сохраняются. Остальные? Это просто неизбежное следствие того, что Вселенная работает именно так, как она работает.
Итан в отпуске. Пожалуйста, наслаждайтесь этой старой статьей из архива Starts With A Bang!