publikum diváků, v roce 1934. Důsledky aplikace relativity na správné systémy vyžadují, že pokud požadujeme úsporu energie, musí být E = mc^2 platný. Public domain image
Ze všech rovnic, které používáme k popisu Vesmíru, snad nejslavnější, E = mc2, je také nejhlubší. Poprvé objevil Einstein před více než 100 lety, učí nás řadu důležitých věcí. Můžeme přeměnit hmotu na čistou energii, například jaderným štěpením, jadernou fúzí nebo zničením hmoty a antihmoty. Můžeme vytvářet částice (a antičástice) z ničeho jiného než čisté energie. A možná nejzajímavější je, že nám říká, že jakýkoli objekt s hmotou, bez ohledu na to, jak moc ho ochladíme, zpomalíme nebo izolujeme od všeho jiného, bude mít vždy množství vlastní energie, které se nikdy nemůžeme zbavit. Ale odkud ta energie pochází? To je to, co René Berger chce vědět, ptát:
Moje otázka je, v rovnici E = mc2, kde se energie v „m“ pochází?
pojďme se ponořit do hmoty na nejmenších měřítcích, abychom to zjistili.
s možná menšími ležícími uvnitř toho, co je známo. S příchodem LHC, můžeme omezit minimální velikost kvarky a elektrony na 10^-19 m, ale nevíme, jak daleko oni opravdu jdou, a zda jsou bod, konečné velikosti, nebo vlastně kompozitních částic. Fermilab
první věc, kterou musíme udělat, je pochopit rovnici E = mc2, a to znamená rozebrat každý z termínů uvnitř ní.
- E znamená energii: v tomto případě celkové množství energie obsažené v částici (nebo množině částic), na které se díváme.
- m znamená hmotnost: celková klidová hmotnost částice(s) zvažujeme, kde „klidovou hmotnost“ rozumí hmotnost částice není v pohybu, a není vázán na žádné jiné částice prostřednictvím některého ze známých sil (gravitace, jaderné síly, nebo elektromagnetická síla).
- c2 je rychlost světla na druhou: v tomto případě, jen konverzní faktor, který nám říká, jak převést hmotnost (které měříme v kg) energie (které měříme v joulech).
důvod, proč můžeme získat tolik energie z jaderné reakce, pochází přímo z této rovnice, E = mc2.
Atol Enewetak. Test byl součástí operace Ivy. Mike byl první testovanou vodíkovou bombou. Uvolnění tohoto množství energie odpovídá přibližně 500 gramům hmoty přeměněné na čistou energii: úžasně velká exploze pro tak malé množství hmoty. Jaderné reakce zahrnující štěpení nebo fúzi (nebo obojí, jako v případě Ivy Mike) mohou produkovat nesmírně nebezpečný, dlouhodobý radioaktivní odpad. Národní Správa Jaderné Bezpečnosti / Nevada Webu Office
I když jsme byli převést jen jeden kilogram (1 kg) hmotnost do energie, skutečnost, že c2 nutně znamená, že budeme mít ekvivalent 21.5 megatun TNT energie z této přeměny. To vysvětluje, proč Slunce výstupů tolik energie, proč jaderné reaktory jsou tak účinné, proč se sen o řízené jaderné fúze je „svatý grál“ energie; a proč jaderné bomby jsou oba tak silné a tak nebezpečné.
ale E = mc2 má také šťastnější stránku. To znamená, že existuje forma energie, kterou nelze odebrat z částice bez ohledu na to, co s ní uděláte. Dokud zůstane v existenci, tato forma energie s ní vždy zůstane. To je fascinující z mnoha důvodů, ale možná nejzajímavější je, že všechny ostatní formy energie lze skutečně odstranit.
Vesmír určit, kdy a za jakých podmínek mohou být vytvořeny, a také popsat, jak se bude křivka časoprostoru v Obecné teorii Relativity. Vlastnosti částic, polí a prostoročasu jsou vyžadovány k popisu vesmíru, který obýváme. Obr. 15-04a od universe-review.ca
například částice v pohybu má kinetickou energii: energii spojenou s jejím pohybem vesmírem. Když rychle se pohybující, masivní objekt se srazí s jiným objektem, bude rozšiřovat obou energií a hybnosti v důsledku kolize, a to bez ohledu na to, co nastane. Tato forma energie existuje na zbytek hmoty energie částic; je to forma energie, vnitřní částice v pohybu.
ale to je forma energie, kterou lze odstranit, aniž by se změnila povaha samotné částice. Jednoduše tím, že posílení sebe tak, že budete pohybovat s stejnou rychlost (velikost a směr), protože částice se díváte, můžete snížit celkové energie částic, ale jen do určité minimum. I když odstraníte veškerou kinetickou energii, její klidová hmotnostní energie, část definovaná E = mc2, zůstane nezměněna.
Slunce, které se pak pohybuje galaxií jiným směrem pohybu. Všimněte si, že planety jsou všechny ve stejné rovině, a nejsou tažením za Sluncem, nebo tvoří důsledku jakéhokoliv typu. Pokud bychom měli pohybovat vzhledem ke Slunci, mohlo by se zdát, že mají spoustu kinetické energie, pokud jsme se přestěhovali se stejnou rychlostí jako to ve stejném směru, nicméně, jeho kinetická energie by klesla na nulu. Rhys Taylor
možná Si myslíte, že to znamená, že můžete odstranit všechny formy energie jiné než zbytek energie hmoty, pak pro každý systém. Všechny ostatní formy energie, na které si vzpomenete-potenciální energie, vazebná energie, chemická energie atd. – jsou oddělené od klidové hmoty, to je pravda. Za správných podmínek mohou být tyto formy energie odebrány a zanechány pouze holé, nehybné, izolované částice. Jediná energie, kterou by měli, je energie zbytkové hmoty: E = mc2.
odkud tedy pochází klidová hmotnost, M V E = mc2? Možná rychle odpovíte „Higgsovi“, což je částečně správné. Již v raných fázích Vesmíru, méně než 1 sekundu po Velkém Třesku, symetrie elektroslabých, že jednotné elektromagnetické síly se slabá jaderná síla byla obnovena, se chovají jako jedna síla. Když se vesmír dostatečně rozšířil a ochladil, tato symetrie se zlomila a důsledky pro částice standardního modelu byly obrovské.
top), vše je symetrické a neexistuje žádný preferovaný stav. Když je symetrie přerušena při nižších energiích (modrá koule, dno), stejná svoboda, ze všech směrů je stejná, již není přítomna. V případě porušení symetrie elektroslabých, to způsobí, že Higgsovo pole na pár částice Standardního Modelu, což je hmota. Phys. Dnes 66, 12, 28 (2013)
za prvé, mnoho částic — včetně všech kvarků a nabitých leptonů — získalo nenulovou klidovou hmotnost. Kvůli spojení každé z těchto kvant energie s Higgsovým polem, kvantovým polem, které proniká vesmírem, má mnoho částic nenulovou klidovou hmotnost. Toto je částečná odpověď na to, odkud pochází energie v m pro tyto částice: od jejich vazby k základnímu kvantovému poli.
ale není to vždy tak jednoduché. Pokud budete mít hmotnost elektronu a snaží se to vysvětlit na základě elektron tažné na Higgsův boson, bude 100% úspěšný: příspěvek Higgsova bosonu na elektron hmotnost vám dává přesně to, elektron hmotnost. Ale pokud se pokusíte vysvětlit hmotnost protonu tímto, sečtením zbytkových hmotností kvarků a gluonů, které ji tvoří, přijdete zkrátka. Cesta krátká, ve skutečnosti: namísto získání skutečné hodnoty 938 MeV / c2, dostanete jen ~1% cesty tam.
standardní model (způsobem, který zobrazuje klíčové vztahy a vzory, více úplně a méně klamavě, než ve více známý obraz na základě 4×4 metrů částic). Zejména, tento diagram znázorňuje všechny částice ve Standardním Modelu (včetně jejich jména dopis, masy, točí, nestrannost, poplatky, a interakce s obrysem bosony: tj., s silných a elektroslabých sil). To také znázorňuje roli Higgsova bosonu, a struktury elektroslabých porušení symetrie, a uvede, jak Higgsovo vakuum očekávání, hodnota přestávky symetrie elektroslabých, a jak vlastnosti zbývající částice změnu jako důsledek. Latham Boyle a Mardus Wikimedia Commons
Od protonů (a dalších, souvisejících atomových jader) jsou vyrobeny z kvarků a gluonů, a tvoří většinu hmoty z normální (známý) hmoty ve Vesmíru, tam musí být jiný přispěvatel. V případě protonů je viníkem silná jaderná síla. Na rozdíl od gravitační a elektromagnetické síly, silné jaderné síly — na základě kvantové chromodynamiky a „color“ vlastnost kvarků a gluonů — vlastně silnější vzdálenější dva kvarky.
skládá ze tří kvarků za kus, každý nucleon v atomové jádro drží pohromadě gluony vyměňovány mezi těmito kvarky: jaro-jako síla, která je silnější, čím dále od sebe kvarky. Důvod, proč protony mají konečnou velikost, přestože jsou vyrobeny z bodových částic, je kvůli síle této síly a nábojům a spojkám částic uvnitř atomového jádra.
existence „barevného náboje“ a výměna gluonů je zodpovědná za sílu, která drží atomová jádra pohromadě. Gluon musí sestávat z kombinace barva / antikolor, aby se silná síla chovala tak, jak musí, a dělá. Wikimedia Commons user Qashqaiilove
Pokud se kvarky mohly být nějakým způsobem osvobozeni, většina hmoty ve Vesmíru by být převeden zpět do energie; E = mc2 je reverzibilní reakce. V ultra-vysokých energiích, například ve velmi raném Vesmíru nebo v urychlovači těžkých iontů jako RHIC nebo na LHC, těchto podmínek bylo dosaženo, vytváří kvark-gluonové plazma. Jakmile však teploty, energie a hustoty klesnou na dostatečně nízké hodnoty, kvarky se znovu omezí a odtud pochází většina hmoty normální hmoty.
jinými slovy, je daleko méně energeticky výhodné mít tři volné kvarky — a to i s non-zero zbytek masivní jim dána tím, že Higgsův—, než to je, mít ty kvarky vázány dohromady do složené částice, jako jsou protony a neutrony. Většina energie (E) odpovědné za známé hmoty (m) v našem vesmíru pochází ze silné síly a vazebné energie zavedené kvantovými pravidly upravujícími částice s barevným nábojem.
jeho rotace, ale také gluony, mořské kvarky a antikvarky a orbitální moment hybnosti. Elektrostatické odpuzování a přitažlivé silné jaderné síly, v tandemu, jsou tím, co dát na proton, jeho velikost a vlastnosti kvark míchání jsou povinni vysvětlit apartmá zdarma a kompozitních částic v našem Vesmíru. Součet různých forem vazebné energie, spolu s klidovou hmotou kvarků, je to, co dává hmotu protonu a všem atomovým jádrům. APS / Alan Stonebraker
to, co jsme se všichni naučili už dávno, je stále pravda: energie může být vždy převedena z jedné formy do druhé. K tomu však dochází pouze za cenu: náklady na čerpání dostatečného množství energie do systému, aby se odstranila tato další forma energie. Pro kinetická energie příklad dříve, to znamenalo posílení buď své rychlosti (jako pozorovatel) nebo částice je rychlost (ve vztahu k vám, pozorovatel), dokud se utkání, které oba vyžadují vstupní energie.
u jiných forem energie může být složitější. Neutrální atomy jsou ~0.0001% méně masivní než ionizované atomy, protože elektromagnetická vazba elektronů na atomová jádra vydává asi ~10 eV energie za kus. Gravitační potenciální energie, vyplývající z deformace prostoru v důsledku hmoty, také hraje roli. Dokonce i planetu Zemi, jako celku, je o 0.00000004% méně masivní než atomů, které ji tvoří, jako gravitační potenciální energie našeho světa součty až 2 × 1032 J energie.
mřížka, uvedení hmoty dolů způsobí, že by se „přímé“ čáry místo toho zakřivily o určitou částku. Zakřivení prostoru v důsledku gravitačních účinků země je jednou z vizualizací gravitační potenciální energie, která může být obrovská pro systémy tak masivní a kompaktní jako naše planeta. Christopher Vitale z Networkologies a Pratt Institute
Pokud jde o Einsteinovu nejslavnější rovnici, E = mc2 nám říká, že všechno s hmotou má základní množství energie, které nemůže být žádným způsobem odstraněno. Pouze tím, že zničí objekt úplně — buď tím, že se srazí s antihmotou (což způsobuje uvolnění energie) nebo čerpání dost energie na to (pro kompozitní částice, přičemž jeho základní složky neporušené) — můžeme převést hmoty zpět na energii v nějaké formě.
Pro základní částice Standardního Modelu Higgsova pole a jeho spojení na každé z těchto částic, poskytuje energii, která tvoří hmotu, m. Ale pro většinu známé hmoty ve vesmíru, protony, neutrony, a další atomová jádra, je to vazebná energie, která vychází ze silné síly, která nám dává většinu naší hmoty, m. pro temnou hmotu? Zatím to nikdo neví, ale mohlo by to být Higgsovo, nějaká forma vazebné energie, nebo něco úplně nového. Ať už je příčina jakákoli, něco poskytuje energii pro tuto neviditelnou hmotu. E = mc2 určitě zůstane pravdivý.
Pošlete své dotazy a zeptejte se Ethan na startswithabang na gmail dot com!
Následujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo některé z mých dalších prací zde.