publikum af tilskuere, i 1934. Konsekvenserne af at anvende relativitet på de rigtige systemer kræver, at hvis vi kræver energibesparelse, skal E = mc^2 være gyldig. Public domain image
af alle de ligninger, vi bruger til at beskrive universet, er måske den mest berømte, E = mc2, også den mest dybtgående. Først opdaget af Einstein for mere end 100 år siden, lærer det os en række vigtige ting. Vi kan omdanne masse til ren energi, såsom gennem nuklear fission, nuklear fusion eller materie-antimatter udslettelse. Vi kan skabe partikler (og antipartikler) ud af intet andet end ren energi. Og måske mest interessant fortæller det os, at ethvert objekt med masse, uanset hvor meget vi køler det, sænker det eller isolerer det fra alt andet, altid vil have en mængde iboende energi til det, som vi aldrig kan slippe af med. Men hvor kommer den energi fra? Det er det, Rene Berger ønsker at vide, spørger:
mit spørgsmål er i ligningen E = mc2, hvor kommer energien i “m” fra?
lad os dykke inde i stof på de mindste skalaer for at finde ud af.
med muligvis mindre liggende inde i det, der er kendt. Med fremkomsten af LHC kan vi nu begrænse minimumsstørrelsen af kvarker og elektroner til 10^-19 meter, men vi ved ikke, hvor langt ned de virkelig går, og om de er punktlignende, endelige i størrelse eller faktisk sammensatte partikler. Fermilab
det første, vi skal gøre, er at forstå ligningen E = mc2, og det betyder at nedbryde hvert af udtrykkene inde i det.
- e står for energi: i dette tilfælde er den samlede mængde energi indeholdt i partiklen (eller sæt partikler), vi ser på.
- m står for masse: den samlede hvilemasse af partiklen (e) vi overvejer, hvor “hvilemasse” betyder massen af partiklen, der ikke er i bevægelse, og ikke bundet til andre partikler gennem nogen af de kendte kræfter (gravitation, atomkræfterne eller den elektromagnetiske kraft).
- c2 er lysets hastighed kvadreret: i dette tilfælde bare en konverteringsfaktor, der fortæller os, hvordan vi konverterer masse (som vi måler i kg) til energi (som vi måler i joules).
årsagen til, at vi kan få så meget energi ud af en nuklear reaktion, kommer direkte fra denne ligning, E = mc2.
Envetak Atoll. Testen var en del af Operation Ivy. Mike var den første brintbombe nogensinde testet. En frigivelse af denne meget energi svarer til, at cirka 500 gram stof omdannes til ren energi: en forbløffende stor eksplosion for en så lille mængde masse. Nukleare reaktioner, der involverer fission eller fusion (eller begge dele, som i tilfælde af Ivy Mike) kan producere enormt farligt, langvarigt radioaktivt affald. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office
selvom vi kun skulle konvertere et enkelt kilogram (1 kg) masse til energi, betyder det faktum, at c2 nødvendigvis betyder, at vi ville få svarende til 21.5 megatons af TNT af energi ud af denne konvertering. Dette forklarer, hvorfor solen udsender så meget energi; hvorfor atomreaktorer er så effektive; hvorfor drømmen om kontrolleret nuklear fusion er den “hellige gral” af energi; og hvorfor atombomber er både så magtfulde og så farlige.
men der er også en lykkeligere side til E = mc2. Det betyder, at der findes en form for energi, der ikke kan tages væk fra en partikel, uanset hvad du gør ved den. Så længe det forbliver i eksistens, vil denne form for energi altid forblive med det. Det er fascinerende af en række grunde, men måske er det mest interessante, at alle andre former for energi virkelig kan fjernes.
universet bestemmer hvornår og under hvilke forhold de kan oprettes, og beskriver også, hvordan de vil kurve rumtid i generel relativitet. Egenskaberne af partikler, felter og rumtid er alle nødvendige for at beskrive det univers, vi beboer. Fig. 15 – 04A fra universe-review.ca
for eksempel har en partikel i bevægelse kinetisk energi: energien forbundet med dens bevægelse gennem universet. Når et hurtigt bevægende, massivt objekt kolliderer med et andet objekt, vil det give både energi og momentum til det som følge af kollisionen, uanset hvad der ellers sker. Denne form for energi findes oven på partiklens restmasseenergi; det er en form for energi, der er iboende for partiklens bevægelse.
men det er en form for energi, der kan fjernes uden at ændre selve partiklens natur. Ved blot at øge dig selv, så du bevæger dig med samme nøjagtige hastighed (størrelse og retning) som partiklen du ser, kan du reducere den samlede energi af den partikel, men kun ned til et bestemt minimum. Selv hvis du fjerner al dens kinetiske energi, vil dens hvilemasseenergi, den del, der er defineret af E = mc2, fortsat forblive uændret.
Sol, som derefter bevæger sig gennem galaksen i en anden bevægelsesretning. Bemærk, at planeterne alle er i samme plan og ikke trækker bag Solen eller danner et kølvand af nogen art. Hvis vi skulle bevæge os i forhold til solen, ser det ud til at have en masse kinetisk energi; hvis vi bevægede os med samme hastighed som den i samme retning, ville dens kinetiske energi imidlertid falde til nul. Rhys Taylor
du tror måske, at dette betyder, at du kan fjerne enhver anden form for energi end rest mass energy, så for ethvert system overhovedet. Alle de andre former for energi, du kan tænke på — potentiel energi, bindende energi, kemisk energi osv. – er adskilt fra resten masse, det er sandt. Under de rette forhold kan disse former for energi tages væk og kun efterlade de blotte, ubevægelige, isolerede partikler bagved. På det tidspunkt er den eneste energi, de ville have, deres hvilemasseenergi: E = mc2.
så hvor kommer hvilemassen, m i E = mc2, fra? Du kan være hurtig til at svare” Higgs”, som er delvist korrekt. Tilbage i de tidlige stadier i universet, mindre end 1 sekund efter Big Bang, blev den elektrosvage symmetri, der forenede den elektromagnetiske kraft med den svage atomkraft, genoprettet og opførte sig som en enkelt kraft. Da Universet ekspanderede og afkølet nok, brød denne symmetri, og konsekvenserne for partiklerne i standardmodellen var enorme.
øverst), alt er symmetrisk, og der er ingen foretrukken tilstand. Når symmetrien brydes ved lavere energier (blå kugle, bund), er den samme frihed, i alle retninger den samme, ikke længere til stede. I tilfælde af elektrosvag symmetribrud får dette Higgs-feltet til at parre sig til partiklerne i standardmodellen, hvilket giver dem masse. Phys. I dag 66, 12, 28 (2013)
for en erhvervede mange af partiklerne — inklusive alle kvarker og ladede leptoner — en ikke-nul hvilemasse. På grund af koblingen af hver af disse kvanter af energi til Higgs-feltet, et kvantefelt, der gennemsyrer universet, har mange partikler nu en ikke-nul hvilemasse. Dette er et delvis svar på, hvor energien i m for disse partikler kommer fra: fra deres kobling til et grundlæggende kvantefelt.
men det er ikke altid så simpelt som det. Hvis du tager massen af en elektron og forsøger at forklare den baseret på elektronens kobling til Higgs, vil du være 100% succesfuld: Higgs ‘ Bidrag til elektronens masse giver dig præcis elektronens masse. Men hvis du prøver at forklare protonens masse med dette, ved at tilføje resten af kvarkerne og gluonerne, der udgør det, kommer du op kort. Måde kort, faktisk: i stedet for at få den faktiske værdi af 938 MeV/c2, får du kun ~1% af vejen der.
standardmodel (på en måde, der viser nøgleforholdene og mønstrene mere fuldstændigt og mindre vildledende end i det mere velkendte billede baseret på en 4-liters 4-kvadrat af partikler). Især viser dette diagram alle partiklerne i standardmodellen (inklusive deres bogstavnavne, masser, spins, håndethed, ladninger og interaktioner med målebosonerne: dvs.med de stærke og elektrosvage kræfter). Det skildrer også Higgs bosons rolle og strukturen af elektrosvag symmetribrud, hvilket indikerer, hvordan Higgs-vakuumforventningsværdien bryder elektrosvag symmetri, og hvordan egenskaberne for de resterende partikler ændres som en konsekvens. Da protoner (og andre relaterede atomkerner) alle er lavet af kvarker og gluoner og udgør størstedelen af massen af det normale (kendte) stof i universet, skal der være en anden bidragyder. I tilfælde af protoner er synderen den stærke atomkraft. I modsætning til gravitations — og elektromagnetiske kræfter bliver den stærke atomkraft — baseret på kvantekromodynamik og kvarkernes og gluons “farve” – egenskab-faktisk stærkere, jo længere væk to kvarker kommer.
består af tre kvarker stykket, hver nukleon i en atomkerne holdes sammen af gluoner udvekslet mellem disse kvarker: en fjederlignende kraft, der bliver stærkere, jo længere fra hinanden kvarkerne får. Årsagen til, at protoner har en endelig størrelse, på trods af at de er lavet af punktlignende partikler, er på grund af styrken af denne kraft og ladningerne og koblingerne af partiklerne inde i atomkernen.
eksistensen af ‘farveladning’ og udveksling af gluoner er ansvarlig for den kraft, der holder atomkerner sammen. En gluon skal bestå af en farve/anticolor kombination for at den stærke kraft skal opføre sig som den skal og gør. Hvis kvarkerne på en eller anden måde kunne frigøres, ville det meste af massen i universet omdannes tilbage til energi; E = mc2 er en reversibel reaktion. Ved ultrahøje energier, såsom i det meget tidlige univers eller i tunge ionkollider som RHIC eller ved LHC, er disse betingelser opnået, hvilket skaber et kvark-gluonplasma. Når temperaturerne, energierne og densiteterne falder til lave nok værdier, bliver kvarkerne imidlertid begrænset igen, og det er her størstedelen af det normale stofs masse kommer fra.
med andre ord er det langt mindre energisk gunstigt at have tre frie kvarker — selv med den ikke-nul hvile massive givet til dem af Higgs — end det er at have disse kvarker bundet sammen i sammensatte partikler som protoner og neutroner. Størstedelen af den energi (E), der er ansvarlig for de kendte masser (m) i vores univers, kommer fra den stærke kraft og den bindende energi, der indføres af kvantereglerne, der styrer partikler med en farveladning.
dens spin, men det gør også gluoner, havkvarker og antikvarker og orbital vinkelmoment også. Den elektrostatiske afstødning og den attraktive stærke atomkraft er i tandem det, der giver protonen sin størrelse, og egenskaberne ved kvarkblanding er nødvendige for at forklare pakken af frie og sammensatte partikler i vores univers. Summen af de forskellige former for bindingsenergi sammen med kvarkernes hvilemasse er det, der giver masse til protonen og alle atomkerner. APS / Alan Stonebraker
det, vi alle lærte for længe siden, er stadig sandt: energi kan altid omdannes fra en form til en anden. Men dette sker kun til en pris: omkostningerne ved at pumpe nok energi ind i et system for at eliminere den ekstra form for energi. For eksempel på kinetisk energi tidligere betød det at øge enten din hastighed (som observatør) eller partiklens hastighed (i forhold til dig, observatøren), indtil de matcher, som begge kræver input af energi.
for andre former for energi kan det være mere komplekst. Neutrale atomer er ~0.0001% mindre massiv end ioniserede atomer, da den elektromagnetiske binding af elektroner til atomkerner afgiver omkring ~10 eV energi stykket. Gravitationel potentiel energi, der skyldes deformation af rummet på grund af en masse, spiller også en rolle. Selv planeten Jorden som helhed er omkring 0,00000004% mindre massiv end de atomer, der udgør den, da gravitationspotentialenergien i vores verden udgør op til 2 liter 1032 J energi.
gitter, der lægger en masse ned, forårsager, hvad der ville have været ‘lige’ linjer til i stedet at blive buet af et bestemt beløb. Krumningen af rummet på grund af jordens gravitationseffekter er en visualisering af gravitationel potentiel energi, som kan være enorm for systemer så massive og kompakte som vores planet. Christopher Vitale fra netværksteknologier og Pratt Institute
Når det kommer til Einsteins mest berømte ligning, fortæller E = mc2 os, at alt med masse har en grundlæggende mængde energi iboende, som ikke kan fjernes på nogen måde. Kun ved at ødelægge objektet helt — enten ved at kollidere det med antimaterie (forårsager frigivelse af energi) eller pumpe nok energi ind i det (kun for sammensatte partikler og efterlade dets grundlæggende bestanddele intakte) — kan vi konvertere denne masse tilbage til energi af en eller anden form.
for de grundlæggende partikler i standardmodellen giver Higgs-feltet og dets kobling til hver af disse partikler den energi, der udgør massen, m. Men for størstedelen af den kendte masse i universet, protoner, neutroner, og andre atomkerner, det er den bindende energi, der opstår fra den stærke kraft, der giver os det meste af vores masse, m. for mørkt stof? Ingen ved endnu, men det kan være Higgs, en form for bindende energi eller noget helt nyt. Uanset årsagen er der dog noget, der giver energien til denne usete masse. E = mc2 er sikker på at forblive sandt.
Send dine Ask Ethan-spørgsmål til start med at hænge på gmail dot com! få det bedste ud af Forbes til din indbakke med de nyeste indsigter fra eksperter over hele kloden.
Følg mig på Facebook. Tjek min hjemmeside eller noget af mit andet arbejde her.