Zuschauer, 1934. Die Konsequenzen der Anwendung der Relativitätstheorie auf die richtigen Systeme erfordern, dass E = mc ^ 2 gültig sein muss, wenn wir Energieeinsparung fordern. Public domain image
Von allen Gleichungen, die wir zur Beschreibung des Universums verwenden, ist die vielleicht berühmteste, E = mc2, auch die tiefgründigste. Es wurde vor mehr als 100 Jahren von Einstein entdeckt und lehrt uns eine Reihe wichtiger Dinge. Wir können Masse in reine Energie umwandeln, zum Beispiel durch Kernspaltung, Kernfusion oder Materie-Antimaterie-Vernichtung. Wir können Teilchen (und Antiteilchen) aus nichts anderem als reiner Energie erzeugen. Und vielleicht am interessantesten ist, dass es uns sagt, dass jedes Objekt mit Masse, egal wie sehr wir es abkühlen, verlangsamen oder von allem anderen isolieren, immer eine Menge inhärenter Energie haben wird, die wir niemals loswerden können. Aber woher kommt diese Energie? Das will Rene Berger wissen und fragt:
Meine Frage ist, in der Gleichung E = mc2, woher kommt die Energie im „m“?
Lassen Sie uns auf den kleinsten Skalen in die Materie eintauchen, um dies herauszufinden.
mit möglicherweise kleineren, die innerhalb dessen liegen, was bekannt ist. Mit dem Aufkommen des LHC können wir jetzt die Mindestgröße von Quarks und Elektronen auf 10 ^ -19 Meter beschränken, aber wir wissen nicht, wie weit sie wirklich gehen und ob sie punktförmig sind, endlich in der Größe oder tatsächlich zusammengesetzte Teilchen. Fermilab
Das erste, was wir tun müssen, ist, die Gleichung E = mc2 zu verstehen, und das bedeutet, jeden der darin enthaltenen Terme aufzuschlüsseln.
- E steht für Energie: In diesem Fall die Gesamtmenge an Energie, die in dem Partikel (oder der Menge von Partikeln) enthalten ist, die wir betrachten.
- m steht für Masse: die gesamte Ruhemasse der Teilchen, die wir in Betracht ziehen, wobei „Ruhemasse“ die Masse des Teilchens bedeutet, das sich nicht in Bewegung befindet und durch keine der bekannten Kräfte (Gravitation, Kernkräfte) an andere Teilchen gebunden ist oder die elektromagnetische Kraft).
- c2 ist die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat: In diesem Fall nur ein Umrechnungsfaktor, der uns sagt, wie man Masse (die wir in Kilogramm messen) in Energie (die wir in Joule messen) umwandelt.
Der Grund, warum wir so viel Energie aus einer Kernreaktion gewinnen können, ergibt sich direkt aus dieser Gleichung, E = mc2.
Enewetak-Atoll. Der Test war Teil der Operation Ivy. Mike war die erste Wasserstoffbombe, die jemals getestet wurde. Eine Freisetzung von so viel Energie entspricht etwa 500 Gramm Materie, die in reine Energie umgewandelt wird: eine erstaunlich große Explosion für eine so winzige Menge an Masse. Kernreaktionen mit Spaltung oder Fusion (oder beides, wie im Fall von Ivy Mike) können enorm gefährliche, langfristige radioaktive Abfälle produzieren. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office
Selbst wenn wir nur ein einziges Kilogramm (1 kg) Masse in Energie umwandeln würden, bedeutet die Tatsache, dass c2 notwendigerweise bedeutet, dass wir das Äquivalent von 21 erhalten würden.5 Megatonnen TNT Energie aus dieser Umwandlung. Dies erklärt, warum die Sonne so viel Energie abgibt; warum Kernreaktoren so effizient sind; warum der Traum von der kontrollierten Kernfusion der „heilige Gral“ der Energie ist; und warum Atombomben sowohl so mächtig als auch so gefährlich sind.
Aber es gibt auch eine glücklichere Seite von E = mc2. Es bedeutet, dass es eine Form von Energie gibt, die einem Teilchen nicht weggenommen werden kann, egal was man ihm antut. Solange es existiert, wird diese Energieform immer bei ihm bleiben. Das ist aus einer Reihe von Gründen faszinierend, aber der vielleicht interessanteste ist, dass alle anderen Energieformen wirklich entfernt werden können.
Das Universum bestimmt, wann und unter welchen Bedingungen sie geschaffen werden können, und beschreibt auch, wie sie die Raumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmen. Die Eigenschaften von Teilchen, Feldern und Raumzeit sind alle erforderlich, um das Universum zu beschreiben, in dem wir leben. Abb. 15-04a von universe-review.ca
Zum Beispiel hat ein bewegtes Teilchen kinetische Energie: die Energie, die mit seiner Bewegung durch das Universum verbunden ist. Wenn ein sich schnell bewegendes, massives Objekt mit einem anderen Objekt kollidiert, wird es ihm als Ergebnis der Kollision sowohl Energie als auch Impuls verleihen, unabhängig davon, was sonst noch passiert. Diese Energieform existiert zusätzlich zur Ruhemassenenergie des Teilchens; Es ist eine Energieform, die der Bewegung des Teilchens innewohnt.
Aber das ist eine Form von Energie, die entfernt werden kann, ohne die Natur des Teilchens selbst zu verändern. Indem Sie sich einfach so steigern, dass Sie sich genau mit der gleichen Geschwindigkeit (Größe und Richtung) bewegen wie das Teilchen, das Sie beobachten, können Sie die Gesamtenergie dieses Teilchens verringern, jedoch nur bis zu einem bestimmten Minimum. Selbst wenn Sie die gesamte kinetische Energie entfernen, bleibt die Ruhemassenenergie, der durch E = mc2 definierte Teil, unverändert.
Sonne, die sich dann in einer anderen Bewegungsrichtung durch die Galaxie bewegt. Beachten Sie, dass sich die Planeten alle in derselben Ebene befinden und nicht hinter der Sonne zurückbleiben oder irgendeine Spur bilden. Wenn wir uns relativ zur Sonne bewegen würden, würde sie viel kinetische Energie haben; Wenn wir uns jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit wie sie in die gleiche Richtung bewegen würden, würde ihre kinetische Energie auf Null fallen. Rhys Taylor
Sie könnten denken, dass dies bedeutet, dass Sie jede Form von Energie außer der Ruhemassenenergie für jedes System entfernen können. Alle anderen Energieformen, die Sie sich vorstellen können — potentielle Energie, Bindungsenergie, chemische Energie usw. – sind getrennt von der Ruhemasse, es ist wahr. Unter den richtigen Bedingungen können diese Energieformen weggenommen werden, wobei nur die nackten, unbewegten, isolierten Partikel zurückbleiben. An diesem Punkt ist die einzige Energie, die sie haben würden, ihre Ruhemassenenergie: E = mc2.
Woher kommt also die Ruhemasse, das m in E = mc2? Sie könnten schnell „das Higgs“ beantworten, was teilweise richtig ist. In den frühen Stadien des Universums, weniger als 1 Sekunde nach dem Urknall, wurde die elektroschwache Symmetrie wiederhergestellt, die die elektromagnetische Kraft mit der schwachen Kernkraft vereinte und sich wie eine einzige Kraft verhielt. Als sich das Universum ausreichend ausdehnte und abkühlte, brach diese Symmetrie und die Konsequenzen für die Teilchen des Standardmodells waren enorm.
top) ist alles symmetrisch und es gibt keinen bevorzugten Zustand. Wenn die Symmetrie bei niedrigeren Energien gebrochen ist (blaue Kugel, unten), ist die gleiche Freiheit aller Richtungen nicht mehr vorhanden. Bei elektroschwacher Symmetriebrechung führt dies dazu, dass sich das Higgs-Feld an die Teilchen des Standardmodells ankoppelt und ihnen Masse verleiht. Phys. Heute 66, 12, 28 (2013)
Zum einen nahmen viele der Teilchen — einschließlich aller Quarks und geladenen Leptonen — eine Ruhemasse ungleich Null an. Aufgrund der Kopplung jedes dieser Energiequanten an das Higgs-Feld, ein Quantenfeld, das das Universum durchdringt, haben viele Teilchen jetzt eine Ruhemasse ungleich Null. Dies ist eine teilweise Antwort darauf, woher die Energie im m für diese Teilchen kommt: von ihrer Kopplung zu einem fundamentalen Quantenfeld.
Aber es ist nicht immer ganz so einfach. Wenn Sie die Masse eines Elektrons nehmen und versuchen, es anhand der Kopplung des Elektrons an das Higgs zu erklären, sind Sie zu 100% erfolgreich: Der Beitrag des Higgs zur Masse des Elektrons gibt Ihnen genau die Masse des Elektrons. Aber wenn Sie versuchen, die Masse des Protons damit zu erklären, indem Sie die Restmassen der Quarks und Gluonen addieren, aus denen es besteht, werden Sie zu kurz kommen. Art und Weise kurz, in der Tat: anstatt den tatsächlichen Wert von 938 MeV / c2 zu erhalten, erhalten Sie nur ~ 1% des Weges dorthin.
Standardmodell (auf eine Weise, die die Schlüsselbeziehungen und -muster vollständiger und weniger irreführend anzeigt als in dem bekannteren Bild, das auf einem 4 × 4-Quadrat von Partikeln basiert). Insbesondere zeigt dieses Diagramm alle Teilchen im Standardmodell (einschließlich ihrer Buchstabennamen, Massen, Spins, Händigkeit, Ladungen und Wechselwirkungen mit den Messbosonen: d. H. mit den starken und elektroschwachen Kräften). Es zeigt auch die Rolle des Higgs-Bosons und die Struktur der elektroschwachen Symmetriebrechung, die anzeigt, wie der Higgs-Vakuum-Erwartungswert die elektroschwache Symmetrie bricht und wie sich die Eigenschaften der verbleibenden Teilchen infolgedessen ändern. Latham Boyle und Mardus von Wikimedia Commons
Da Protonen (und andere verwandte Atomkerne) alle aus Quarks und Gluonen bestehen und den größten Teil der Masse der normalen (bekannten) Materie im Universum ausmachen, muss es einen anderen Mitwirkenden geben. Im Falle von Protonen ist der Schuldige die starke Kernkraft. Im Gegensatz zu den gravitations— und elektromagnetischen Kräften wird die starke Kernkraft — basierend auf der Quantenchromodynamik und der „Farb“ -Eigenschaft von Quarks und Gluonen – tatsächlich stärker, je weiter zwei Quarks entfernt sind.
Jedes Nukleon in einem Atomkern besteht aus drei Quarks und wird durch Gluonen zusammengehalten, die zwischen diesen Quarks ausgetauscht werden: eine federartige Kraft, die umso stärker wird, je weiter die Quarks voneinander entfernt sind. Der Grund dafür, dass Protonen eine endliche Größe haben, obwohl sie aus punktförmigen Teilchen bestehen, liegt in der Stärke dieser Kraft und den Ladungen und Kopplungen der Teilchen im Atomkern.
Die Existenz von ‚Farbladung‘ und der Austausch von Gluonen ist verantwortlich für die Kraft, die Atomkerne zusammenhält. Ein Gluon muss aus einer Farb- / Anticolor-Kombination bestehen, damit sich die starke Kraft so verhält, wie sie muss und tut. Wikimedia Commons Benutzer Qashqaiilove
Wenn die Quarks irgendwie befreit werden könnten, würde der größte Teil der Masse im Universum wieder in Energie umgewandelt; E = mc2 ist eine reversible Reaktion. Bei ultrahohen Energien, wie im sehr frühen Universum oder in Schwerionen-Kollidern wie RHIC oder am LHC, wurden diese Bedingungen erreicht und ein Quark-Gluon-Plasma erzeugt. Sobald die Temperaturen, Energien und Dichten jedoch auf ausreichend niedrige Werte fallen, werden die Quarks wieder begrenzt, und hier kommt der Großteil der Masse der normalen Materie her.Mit anderen Worten, es ist weitaus weniger energetisch günstig, drei freie Quarks zu haben — selbst mit der vom Higgs gegebenen Ruhelosigkeit ungleich Null – als diese Quarks zu zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen zusammenzubinden. Der Großteil der Energie (E), die für die bekannten Massen (m) in unserem Universum verantwortlich ist, kommt von der starken Kraft und der Bindungsenergie, die durch die Quantenregeln für Teilchen mit einer Farbladung eingeführt wird.
sein Spin, aber auch die Gluonen, die Quarks und Antiquarks und der orbitale Drehimpuls. Die elektrostatische Abstoßung und die anziehende starke Kernkraft im Tandem geben dem Proton seine Größe, und die Eigenschaften der Quarkmischung sind erforderlich, um die Suite von freien und zusammengesetzten Teilchen in unserem Universum zu erklären. Die Summe der verschiedenen Formen der Bindungsenergie zusammen mit der Ruhemasse der Quarks gibt dem Proton und allen Atomkernen Masse. APS/Alan Stonebraker
Was wir alle vor langer Zeit gelernt haben, ist immer noch wahr: energie kann immer von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dies geschieht jedoch nur zu einem Preis: die Kosten für das Pumpen von genügend Energie in ein System, um diese zusätzliche Energieform zu eliminieren. Für das kinetische Energiebeispiel früher bedeutete dies, entweder Ihre Geschwindigkeit (als Beobachter) oder die Geschwindigkeit des Partikels (relativ zu Ihnen, dem Beobachter) zu erhöhen, bis sie übereinstimmen, was beide den Energieeintrag erfordert.
Für andere Energieformen kann es komplexer sein. Neutrale Atome sind ~ 0.0001% weniger massiv als ionisierte Atome, da die elektromagnetische Bindung von Elektronen an Atomkerne etwa ~ 10 eV Energie pro Stück abgibt. Die potentielle Gravitationsenergie, die sich aus der Verformung des Raums aufgrund einer Masse ergibt, spielt ebenfalls eine Rolle. Sogar der Planet Erde ist insgesamt etwa 0, 000000004% weniger massiv als die Atome, aus denen er besteht, da die potentielle Gravitationsenergie unserer Welt bis zu 2 × 1032 J Energie beträgt.
Gitter, wenn Sie eine Masse nach unten setzen, werden die ‚geraden‘ Linien stattdessen um einen bestimmten Betrag gekrümmt. Die Krümmung des Weltraums aufgrund der Gravitationseffekte der Erde ist eine Visualisierung der potentiellen Gravitationsenergie, die für so massive und kompakte Systeme wie unseren Planeten enorm sein kann. Christopher Vitale von Networkologies und dem Pratt Institute
Wenn es um Einsteins berühmteste Gleichung geht, sagt uns E = mc2, dass alles mit Masse eine fundamentale Energiemenge hat, die auf keinen Fall entfernt werden kann. Nur wenn wir das Objekt vollständig zerstören – entweder indem wir es mit Antimaterie kollidieren (was die Freisetzung von Energie verursacht) oder indem wir genug Energie hineinpumpen (nur für zusammengesetzte Teilchen, wobei seine fundamentalen Bestandteile intakt bleiben) — können wir diese Masse wieder in Energie umwandeln irgendeine Form.
Für die fundamentalen Teilchen des Standardmodells liefert das Higgs-Feld und seine Kopplung an jedes dieser Teilchen die Energie, die die Masse m ausmacht. Aber für die Mehrheit der bekannten Masse im Universum, Protonen, Neutronen, und andere Atomkerne, Es ist die Bindungsenergie, die aus der starken Kraft entsteht, die uns den größten Teil unserer Masse gibt, m. Für dunkle Materie? Noch weiß es niemand, aber es könnte das Higgs sein, eine Form von Bindungsenergie oder etwas ganz neues. Was auch immer die Ursache sein mag, etwas liefert die Energie für diese unsichtbare Masse. E = mc2 ist sicher wahr zu bleiben.
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