audiența spectatorilor, în 1934. Consecințele aplicării relativității la sistemele corecte necesită ca, dacă cerem conservarea energiei, E = mc^2 trebuie să fie valabil. Imaginea domeniului Public
dintre toate ecuațiile pe care le folosim pentru a descrie universul, poate cea mai faimoasă, E = mc2, este și cea mai profundă. Descoperit pentru prima dată de Einstein acum mai bine de 100 de ani, ne învață o serie de lucruri importante. Putem transforma masa în energie pură, cum ar fi prin fisiune nucleară, fuziune nucleară sau anihilarea materiei-antimaterie. Putem crea particule (și antiparticule) din nimic mai mult decât energie pură. Și, poate cel mai interesant, ne spune că orice obiect cu masă, indiferent cât de mult îl răcim, îl încetinim sau îl izolăm de orice altceva, va avea întotdeauna o cantitate de energie inerentă de care nu putem scăpa niciodată. Dar de unde vine această energie? Asta vrea să știe Rene Berger, întrebând:
întrebarea mea este, în ecuația E = mc2, de unde vine energia din” m”?
să ne scufundăm în interiorul materiei pe cele mai mici scări pentru a afla.
cu unele posibil mai mici situate în interiorul ceea ce este cunoscut. Odată cu apariția LHC, acum putem restricționa dimensiunea minimă a cuarcilor și electronilor la 10^-19 metri, dar nu știm cât de jos merg cu adevărat și dacă sunt particule punctiforme, finite sau de fapt compozite. Fermilab
primul lucru pe care trebuie să-l facem este să înțelegem ecuația E = mc2 și asta înseamnă să descompunem fiecare dintre termenii din interiorul ei.
- E înseamnă energie: în acest caz, cantitatea totală de energie conținută în particula (sau setul de particule) la care ne uităm.
- m înseamnă masă: masa totală de repaus a particulei(particulelor) pe care o luăm în considerare, unde „masa de repaus” înseamnă masa particulei care nu este în mișcare și nu este legată de alte particule prin niciuna dintre forțele cunoscute (gravitație, forțele nucleare sau forța electromagnetică).
- c2 este viteza luminii la pătrat: în acest caz, doar un factor de conversie, care ne spune cum să convertim masa (pe care o măsurăm în kilograme) în energie (pe care o măsurăm în jouli).
motivul pentru care putem obține atât de multă energie dintr-o reacție nucleară provine direct din această ecuație, E = mc2.
Atolul Enewetak. Testul a făcut parte din operațiunea Ivy. Mike a fost prima bombă cu hidrogen testată vreodată. O eliberare a acestei cantități de energie corespunde la aproximativ 500 de grame de materie transformată în energie pură: o explozie uimitor de mare pentru o cantitate atât de mică de masă. Reacțiile nucleare care implică fisiune sau fuziune (sau ambele, ca în cazul Ivy Mike) pot produce deșeuri radioactive extrem de periculoase, pe termen lung. Chiar dacă ar fi să convertim doar un kilogram (1 kg) de masă în energie, faptul că c2 înseamnă neapărat că vom obține echivalentul a 21.5 megatone de TNT de energie din acea conversie. Acest lucru explică de ce soarele produce atât de multă energie; de ce reactoarele nucleare sunt atât de eficiente; de ce visul fuziunii nucleare controlate este „sfântul graal” al energiei; și de ce bombele nucleare sunt atât de puternice, cât și atât de periculoase.
dar există și o parte mai fericită A E = mc2. Înseamnă că există o formă de energie care nu poate fi luată dintr-o particulă, indiferent de ceea ce îi faceți. Atâta timp cât rămâne în existență, această formă de energie va rămâne întotdeauna cu ea. Acest lucru este fascinant din mai multe motive, dar poate cel mai interesant este că toate celelalte forme de energie pot fi cu adevărat eliminate.
Universul determină când și în ce condiții pot fi create și, de asemenea, descrie modul în care vor curba spațiu-timpul în relativitatea generală. Proprietățile particulelor, câmpurilor și spațiului-timp sunt toate necesare pentru a descrie universul în care locuim. Fig. 15-04a din universe-review.ca
de exemplu, o particulă în mișcare are energie cinetică: energia asociată mișcării sale prin Univers. Atunci când un obiect masiv, în mișcare rapidă, se ciocnește cu un alt obiect, acesta îi va conferi atât energie, cât și impuls, ca urmare a coliziunii, indiferent de ce altceva se întâmplă. Această formă de energie există deasupra energiei de masă de odihnă a particulei; este o formă de energie intrinsecă mișcării particulei.dar aceasta este o formă de energie care poate fi îndepărtată fără a schimba natura particulei în sine. Pur și simplu stimulându-vă astfel încât să vă deplasați cu aceeași viteză exactă (magnitudine și direcție) ca particula pe care o urmăriți, puteți reduce energia totală a acelei particule, dar numai până la un anumit minim. Chiar dacă eliminați toată energia sa cinetică, energia sa de masă de odihnă, partea definită de E = mc2, va continua să rămână neschimbată.
soare, care apoi se mișcă prin galaxie într-o direcție diferită de mișcare. Rețineți că planetele sunt toate în același plan și nu se târăsc în spatele soarelui sau formează o trezire de orice tip. Dacă ar fi să ne mișcăm în raport cu soarele, ar părea să aibă multă energie cinetică; dacă ne-am mișca cu aceeași viteză ca și ea în aceeași direcție, totuși, energia sa cinetică ar scădea la zero. Rhys Taylor
s-ar putea să credeți că acest lucru înseamnă că puteți elimina orice formă de energie, alta decât energia de masă de odihnă, atunci, pentru orice sistem. Toate celelalte forme de energie la care vă puteți gândi — energie potențială, energie de legare, energie chimică etc. – sunt separate de masa de odihnă, e adevărat. În condițiile potrivite, aceste forme de energie pot fi îndepărtate, lăsând în urmă doar particulele goale, nemișcate, izolate. În acel moment, singura energie pe care ar avea-o este energia lor de masă de odihnă: E = mc2.
deci, de unde vine masa de odihnă, m în E = mc2? S-ar putea să răspundeți rapid la „Higgs”, ceea ce este parțial corect. În primele etape ale universului, la mai puțin de 1 secundă după Big Bang, simetria electroslabă care unifica forța electromagnetică cu forța nucleară slabă a fost restabilită, comportându-se ca o singură forță. Când Universul s-a extins și s-a răcit suficient, acea simetrie s-a rupt, iar consecințele pentru particulele Modelului Standard au fost extraordinare.
top), totul este simetric și nu există o stare preferată. Când simetria este ruptă la energii inferioare (bilă albastră, fund), aceeași libertate, a tuturor direcțiilor fiind aceeași, nu mai este prezentă. În cazul ruperii simetriei electroslabe, acest lucru face ca câmpul Higgs să se cupleze cu particulele Modelului Standard, oferindu-le masă. Fizică. Astăzi 66, 12, 28 (2013) în primul rând, multe dintre particule — inclusiv toți quarcii și leptonii încărcați — au dobândit o masă de repaus diferită de zero. Datorită cuplării fiecăruia dintre aceste cuante de energie la câmpul Higgs, un câmp cuantic care pătrunde în univers, multe particule au acum o masă de repaus diferită de zero. Acesta este un răspuns parțial de unde provine energia din m pentru aceste particule: de la cuplarea lor la un câmp cuantic fundamental.
dar nu este întotdeauna la fel de simplu ca asta. Dacă luați masa unui electron și încercați să o explicați pe baza cuplării electronului la Higgs, veți avea 100% succes: contribuția lui Higgs la masa electronului vă oferă exact masa electronului. Dar dacă încercați să explicați masa protonului cu aceasta, adunând restul maselor de quarci și gluoni care o compun, veți ajunge la scurt timp. Mod scurt, de fapt: în loc să obțineți valoarea reală de 938 MeV / c2, veți obține doar ~1% din drum.
model standard (într-un mod care afișează relațiile și modelele cheie mai complet și mai puțin înșelător, decât în imaginea mai familiară bazată pe un pătrat de particule de 4 x,4). În special, această diagramă descrie toate particulele din modelul Standard (inclusiv numele literelor, masele, rotirile, mâinile, sarcinile și interacțiunile cu bosonii ecartamentului: adică cu forțele puternice și electroslabe). De asemenea, descrie rolul bosonului Higgs și structura ruperii simetriei electroslabe, indicând modul în care valoarea așteptărilor vidului Higgs rupe simetria electroslabă și modul în care proprietățile particulelor rămase se schimbă ca o consecință. Latham Boyle și Mardus de la Wikimedia Commons
deoarece protonii (și alte nuclee atomice înrudite) sunt toți alcătuiți din quarci și gluoni și compun majoritatea masei materiei normale (cunoscute) din univers, trebuie să existe un alt contribuitor. În cazul protonilor, vinovatul este forța nucleară puternică. Spre deosebire de forțele gravitaționale și electromagnetice, forța nucleară puternică — bazată pe cromodinamica cuantică și proprietatea de „culoare” a quarcilor și gluonilor — devine de fapt mai puternică cu cât se îndepărtează doi quarci.alcătuit din trei quarci fiecare, fiecare nucleon dintr-un nucleu atomic este ținut împreună de gluoni schimbați între acești quarci: o forță asemănătoare arcului care devine mai puternică cu cât se îndepărtează quarcii. Motivul pentru care protonii au o dimensiune finită, în ciuda faptului că sunt făcuți din particule asemănătoare punctului, se datorează forței acestei forțe și încărcărilor și cuplajelor particulelor din interiorul nucleului atomic.
existența ‘sarcinii de culoare’ și schimbul de gluoni, este responsabilă pentru forța care ține nucleele atomice împreună. Un gluon trebuie să constea dintr-o combinație de culoare/anticolor pentru ca forța puternică să se comporte așa cum trebuie și o face. Utilizatorul Wikimedia Commons Qashqaiilove
dacă quarcii ar putea fi eliberați cumva, cea mai mare parte a masei din univers ar fi convertită înapoi în energie; E = mc2 este o reacție reversibilă. La energii ultra-înalte, cum ar fi în universul foarte timpuriu sau în colizori de ioni grei precum RHIC sau la LHC, aceste condiții au fost atinse, creând o plasmă quark-gluon. Odată ce temperaturile, energiile și densitățile scad la valori suficient de scăzute, totuși, quarcii devin re-limitați și de aici provine majoritatea masei materiei normale.cu alte cuvinte, este mult mai puțin favorabil din punct de vedere energetic să avem trei cuarci liberi — chiar și cu masa de odihnă diferită de zero dată lor de Higgs-decât să avem acele cuarci legate împreună în particule compozite precum protonii și neutronii. Majoritatea energiei (E) responsabile pentru masele cunoscute (m) din universul nostru provine din forța puternică și energia de legare introdusă de regulile cuantice care guvernează particulele cu o sarcină de culoare.
este spin, dar la fel și gluonii, cuarcii de mare și antiquarcii și impulsul unghiular orbital. Repulsia electrostatică și forța nucleară puternică atractivă, în tandem, sunt cele care dau protonului dimensiunea sa, iar proprietățile amestecului de quark sunt necesare pentru a explica suita de particule libere și compozite din universul nostru. Suma diferitelor forme de energie de legare, împreună cu masa de odihnă a quarcilor, este ceea ce dă masă protonului și tuturor nucleelor atomice. APS / Alan Stonebraker
ceea ce am învățat cu mult timp în urmă este încă adevărat: energia poate fi întotdeauna convertită de la o formă la alta. Dar acest lucru se întâmplă doar cu un cost: costul pompării unei cantități suficiente de energie într-un sistem pentru a elimina acea formă suplimentară de energie. Pentru exemplu de energie cinetică mai devreme, asta însemna creșterea vitezei dvs. (ca observator) sau a vitezei particulei (în raport cu dvs., Observatorul) până când se potrivesc, ambele necesitând introducerea energiei.
pentru alte forme de energie, aceasta poate fi mai complexă. Atomii neutri sunt ~0.0001% mai puțin masiv decât atomii ionizați, deoarece legarea electromagnetică a electronilor de nucleele atomice degajă aproximativ ~10 eV de energie bucata. Energia potențială gravitațională, rezultată din deformarea spațiului datorită unei mase, joacă, de asemenea, un rol. Chiar și planeta Pământ, în ansamblu, este cu aproximativ 0,00000004% mai puțin masivă decât atomii care o compun, deoarece energia potențială gravitațională a lumii noastre totalizează până la 2 1032 J de energie.
grilă, punând o masă în jos face ca ceea ce ar fi fost linii’ drepte ‘ să devină în schimb curbate cu o anumită cantitate. Curbura spațiului datorată efectelor gravitaționale ale Pământului este o vizualizare a energiei potențiale gravitaționale, care poate fi enormă pentru sisteme la fel de masive și compacte ca planeta noastră. Christopher Vitale de la Networkologies și Institutul Pratt
când vine vorba de cea mai faimoasă ecuație a lui Einstein, E = mc2 ne spune că totul cu masă are o cantitate fundamentală de energie inerentă care nu poate fi îndepărtată prin niciun mijloc. Numai prin distrugerea obiectului în întregime — fie prin ciocnirea acestuia cu antimateria (provocând eliberarea de energie), fie pompând suficientă energie în el (numai pentru particulele compozite, lăsând componentele sale fundamentale intacte) — putem converti acea masă înapoi în energie de o anumită formă.
pentru particulele fundamentale ale Modelului Standard, câmpul Higgs și cuplarea sa la fiecare dintre aceste particule furnizează energia care formează masa, m. Dar pentru majoritatea masei cunoscute din Univers, protoni, neutroni și alte nuclee atomice, este energia de legare care apare din forța puternică care ne dă cea mai mare parte a masei noastre, M. pentru materia întunecată? Nimeni nu știe încă, dar ar putea fi Higgs, o formă de energie de legare sau altceva cu totul nou. Oricare ar fi cauza, totuși, ceva furnizează energia pentru această masă nevăzută. E = mc2 este sigur să rămână adevărat.
trimite în dumneavoastră pune întrebări Ethan pentru a startswithabang la gmail dot com!
Urmați-mă pe Twitter. Check out site-ul meu sau o parte din alte munca mea aici.