katsojien yleisö, vuonna 1934. Suhteellisuusteorian soveltaminen oikeisiin järjestelmiin edellyttää, että jos vaadimme energiansäästöä, E = mc^2: n on oltava pätevä. Public domain image
kaikista kaikkeutta kuvaavista yhtälöistä ehkä kuuluisin, E = mc2, on myös syvällisin. Ensimmäinen löysi Einstein yli 100 vuotta sitten, se opettaa meille useita tärkeitä asioita. Voimme muuttaa massan puhtaaksi energiaksi esimerkiksi ydinfission, ydinfuusion tai Materia-antimateria-annihilaation avulla. Voimme luoda hiukkasia (ja antihiukkasia) mistään muusta kuin puhtaasta energiasta. Ja, ehkä kiinnostavinta, se kertoo meille, että mikä tahansa esine, jolla on massaa, riippumatta siitä kuinka paljon viilennämme sitä, hidastamme sitä tai eristämme sen kaikesta muusta, on aina sellainen määrä luontaista energiaa, josta emme voi koskaan päästä eroon. Mutta mistä tuo energia tulee? Sen Rene Berger haluaa tietää kysyen:
kysymykseni kuuluu yhtälössä E = mc2, mistä ”m”: n energia tulee?
sukelletaan Materian sisälle pienimmillä asteikoilla selvittämään asiaa.
mahdollisesti pienempiäkin makaa sen sisällä, mikä on tiedossa. LHC: n myötä voimme nyt rajoittaa kvarkkien ja elektronien vähimmäiskoon 10^-19 metriin, mutta emme tiedä, kuinka alas ne todella menevät, ja ovatko ne pistemäisiä, äärellisiä kooltaan tai oikeastaan komposiittihiukkasia. Fermilab
ensimmäiseksi on ymmärrettävä yhtälö E = mc2,ja se tarkoittaa jokaisen sen sisällä olevan termin murtamista.
- E tarkoittaa energiaa: tässä tapauksessa tarkasteltavan hiukkasen (tai hiukkasjoukon) sisältämän energian kokonaismäärää.
- m tarkoittaa massaa: harkitsemamme hiukkasen kokonaislepomassa, jossa ”lepomassa” tarkoittaa hiukkasen massaa, joka ei ole liikkeessä eikä sitoutunut muihin hiukkasiin minkään tunnetun voiman kautta (gravitaatio, ydinvoimat tai sähkömagneettinen voima).
- c2 on valonnopeus potenssiin: tässä tapauksessa vain muuntokerroin, joka kertoo kuinka muuntaa massa (jonka mittaamme kilogrammoina) energiaksi (jonka mittaamme jouleina).
syy siihen, että saamme ydinreaktiosta niin paljon energiaa, syntyy suoraan tästä yhtälöstä, E = mc2.
Enewetakin atolli. Testi oli osa operaatio Ivyä. Mike oli ensimmäinen koskaan testattu vetypommi. Näin paljon energiaa vapautuu, kun noin 500 grammaa ainetta muuttuu puhtaaksi energiaksi: hämmästyttävän suuri räjähdys näin pienelle massamäärälle. Ydinreaktiot, joihin liittyy fissiota tai fuusiota (tai molempia, kuten Ivy Miken tapauksessa), voivat tuottaa suunnattoman vaarallista, pitkäaikaista radioaktiivista jätettä. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office
vaikka muuttaisimme vain yhden kilogramman (1 kg) massaa energiaksi, se, että c2 tarkoittaa välttämättä sitä, että saisimme 21: tä vastaavan määrän.Viisi megatonnia TNT: tä energiaa tuosta muunnoksesta. Tämä selittää, miksi aurinko tuottaa niin paljon energiaa; miksi ydinreaktorit ovat niin tehokkaita; miksi unelma hallitusta ydinfuusiosta on energian ”Graalin malja”; ja miksi ydinpommit ovat sekä niin voimakkaita että niin vaarallisia.
mutta E = mc2: ssa on myös iloisempi puoli. Se tarkoittaa, että on olemassa energiamuoto, jota ei voida ottaa pois hiukkasesta riippumatta siitä, mitä sille tekee. Niin kauan kuin se on olemassa, tämä energiamuoto pysyy sen mukana. Se on kiehtovaa monestakin syystä, mutta ehkä mielenkiintoisin on se, että kaikki muut energiamuodot voidaan todella poistaa.
maailmankaikkeus määrittää, milloin ja millaisissa olosuhteissa ne voidaan luoda, ja kuvaa myös, miten ne käyristävät aika-avaruutta yleisessä suhteellisuusteoriassa. Hiukkasten, kenttien ja aika-avaruuden ominaisuuksia tarvitaan kuvaamaan Asuttamaamme maailmankaikkeutta. Kuva. 15-04a alk. universe-review.ca
esimerkiksi liikkeessä olevalla hiukkasella on liike-energia: energia, joka liittyy sen liikkeeseen maailmankaikkeuden läpi. Kun nopeasti liikkuva, massiivinen kappale törmää toiseen kappaleeseen, se antaa sille törmäyksen seurauksena sekä energiaa että vauhtia riippumatta siitä, mitä muuta tapahtuu. Tämä energiamuoto on olemassa hiukkasen lepomassaenergian päällä; se on hiukkasen liikkeeseen luontaisesti kuuluva energiamuoto.
mutta se on energiamuoto, joka voidaan poistaa muuttamatta itse hiukkasen luonnetta. Yksinkertaisesti lisäämällä itseäsi niin, että liikut samalla tarkalla nopeudella (suuruus ja suunta) kuin katselemasi hiukkanen, voit vähentää kyseisen hiukkasen kokonaisenergiaa, mutta vain tiettyyn minimiin. Vaikka sen liike-energia poistettaisiin kokonaan, sen lepomassaenergia, E = mc2: n määrittelemä osa, pysyy edelleen muuttumattomana.
aurinko, joka sitten liikkuu galaksin läpi eri liikesuuntaan. Huomaa, että planeetat ovat kaikki samassa tasossa, eivätkä ne laahaa auringon perässä tai muodosta minkään tyyppistä vanavedessä. Jos liikkuisimme suhteessa Aurinkoon, sillä näyttäisi olevan paljon liike-energiaa; jos liikkuisimme samalla nopeudella kuin se samaan suuntaan, sen liike-energia kuitenkin putoaisi nollaan. Rhys Taylor
saatat ajatella, että tämä tarkoittaa sitä, että voit poistaa kaikki muut energiamuodot kuin lepomassaenergian, siis mistä tahansa systeemistä. Kaikki muut energiamuodot, joita voit ajatella — potentiaalienergia, sitova energia, kemiallinen energia jne. – ovat erillään lepomassasta, se on totta. Oikeissa olosuhteissa nämä energiamuodot voidaan ottaa pois, jolloin jäljelle jäävät vain paljaat, irralliset, irralliset hiukkaset. Siinä vaiheessa heillä ei olisi muuta energiaa kuin lepomassaenergia: E = mc2.
Joten mistä lepomassa, m in E = mc2, tulee? Saatat olla nopea vastaamaan ”Higgs”, joka on osittain oikein. Maailmankaikkeuden alkuvaiheissa, alle 1 sekunti alkuräjähdyksen jälkeen, sähköheikko symmetria, joka yhdisti sähkömagneettisen voiman heikon ydinvoiman kanssa, palautui ja toimi yhtenä voimana. Kun maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi tarpeeksi, tuo symmetria hajosi, ja seuraukset standardimallin hiukkasille olivat valtavat.
top), kaikki on symmetristä, eikä ensisijaista tilaa ole. Kun symmetria rikkoutuu alemmilla energioilla (sininen pallo, pohja), samaa vapautta, jossa kaikki ilmansuunnat ovat samat, ei enää ole. Elektroweakin symmetrian rikkoutuessa tämä aiheuttaa Higgsin kentän pariutumisen standardimallin hiukkasiin, jolloin ne saavat massan. Liikuntaa. Tänään 66, 12, 28 (2013)
yhdelle monet hiukkaset – mukaan lukien kaikki kvarkit ja varatut leptonit — saivat nollasta poikkeavan lepomassan. Koska jokainen näistä energian kvanteista liittyy Higgsin kenttään, universumia läpäisevään kvanttikenttään, monilla hiukkasilla on nyt nollasta poikkeava lepomassa. Tämä on osittainen vastaus siihen, mistä näiden hiukkasten energia m: ssä tulee: niiden yhteenliittymästä perustavaan kvanttikenttään.
mutta ei se aina ihan niin yksinkertaista ole. Jos otetaan elektronin massa ja yritetään selittää se elektronin ja Higgsin välisen kytkennän perusteella, ollaan 100% onnistuneita: Higgsin osuus elektronin massasta antaa täsmälleen elektronin massan. Mutta jos yrität selittää protonin massan tällä, laskemalla yhteen sen muodostavien kvarkkien ja gluonien loput massat, tuloksesi ei ole riittävä. Todella lyhyt.: sen sijaan, että saisit todellisen arvon 938 MeV / c2, saat vain ~1% matkalla sinne.
standardimalli (tavalla, joka näyttää keskeiset suhteet ja kuviot täydellisemmin ja vähemmän harhaanjohtavasti kuin tutummassa kuvassa, joka perustuu 4×4 neliön hiukkasiin). Tämä kaavio kuvaa erityisesti kaikkia standardimallin hiukkasia (mukaan lukien niiden kirjainnimet, massat, pyörähdykset, kätisyys, varaukset ja vuorovaikutukset mittabosonien kanssa: eli vahvojen ja elektroweak-voimien kanssa). Se kuvaa myös Higgsin bosonin roolia ja elektroweakin symmetrian murtumista, osoittaen miten Higgsin tyhjiön odotusarvo rikkoo elektroweakin symmetriaa, ja miten jäljellä olevien hiukkasten ominaisuudet muuttuvat sen seurauksena. Latham Boyle ja Mardus Wikimedia Commonsista
koska protonit (ja muut, niihin liittyvät atomiytimet) on kaikki tehty kvarkeista ja gluoneista, ja ne muodostavat suurimman osan maailmankaikkeuden normaalin (tunnetun) aineen massasta, täytyy olla toinen tekijä. Protonien tapauksessa syyllinen on vahva ydinvoima. Toisin kuin gravitaatio — ja sähkömagneettiset voimat, kvanttikromodynamiikkaan ja kvarkkien ja gluonien ”väriominaisuuteen” perustuva vahva ydinvoima itse asiassa voimistuu mitä kauemmas kaksi kvarkkia pääsee.
jokaisesta kolmesta kvarkista koostuva atomiytimen jokaista nukleonia pitävät koossa näiden kvarkkien välillä vaihdetut gluonit: jousen kaltainen voima, joka voimistuu mitä kauemmaksi kvarkit tulevat. Protonien äärellinen koko, vaikka ne koostuvatkin pistemäisistä hiukkasista, johtuu tämän voiman voimakkuudesta ja atomiytimen sisällä olevien hiukkasten varauksista ja kytköksistä.
”värivarauksen” olemassaolo ja gluonien vaihto ovat vastuussa voimasta, joka pitää atomiytimiä koossa. Gluonin on koostuttava väri-antikolori-yhdistelmästä, jotta vahva voima käyttäytyy niin kuin sen täytyy ja toimii. Wikimedia Commons käyttäjä Qashqailove
Jos kvarkit voitaisiin jotenkin vapauttaa, suurin osa maailmankaikkeuden massasta muuttuisi takaisin energiaksi; E = mc2 on palautuva reaktio. Erittäin korkeilla energioilla, kuten hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa tai raskaissa ionitörmäyksessä kuten RHIC: ssä tai LHC: ssä, nämä olosuhteet on saavutettu, jolloin syntyy kvarkki-gluoniplasmaa. Kun lämpötilat, energiat ja tiheydet laskevat tarpeeksi alhaisiin arvoihin, kvarkit kuitenkin sulkeutuvat uudelleen, ja suurin osa normaalin aineen massasta tulee sieltä.
toisin sanoen, on paljon vähemmän energeettisesti suotavaa, että on kolme vapaata kvarkkia — vaikka Higgsin niille antama ei-nolla — levon massiivinen-kuin että nämä kvarkit sidottaisiin yhteen komposiittihiukkasiksi, kuten protoneiksi ja neutroneiksi. Suurin osa universumimme tunnetuista massoista (m) vastaavasta energiasta (E) tulee voimakkaasta voimasta, ja sitovasta energiasta, jonka kvanttisäännöt säätelevät värivarauksellisia hiukkasia.
sen spin, mutta niin tekevät myös gluonit, merikvarkit ja antikvarkit sekä kiertoradan kulmamomentti. Sähköstaattinen hylkimisreaktio ja vetovoimainen vahva ydinvoima yhdessä antavat protonille sen koon, ja kvarkkien sekoittumisen ominaisuuksia tarvitaan selittämään vapaiden ja komposiittihiukkasten sarja Maailmankaikkeudessamme. Sidosenergian eri muotojen summa yhdessä kvarkkien lepomassan kanssa antaa massan protonille ja kaikille atomiytimille. APS / Alan Stonebraker
se, mitä me kaikki opimme kauan sitten, on yhä totta: energiaa voidaan aina muuntaa muodosta toiseen. Mutta tämä tapahtuu vain hintaan: kustannukset pumppaamalla tarpeeksi energiaa järjestelmään, jotta poistettaisiin ylimääräinen energiamuoto. Kineettisen energian esimerkki aiemmin, se tarkoitti lisäämällä joko oman nopeuden (kuten havaitsija) tai hiukkasen nopeuden (suhteessa sinuun, havaitsija) kunnes ne vastaavat, jotka molemmat vaativat syötteen energiaa.
muiden energiamuotojen kohdalla se voi olla monimutkaisempi. Neutraalit atomit ovat ~0.0001% vähemmän massiivisia kuin ionisoituneet atomit, koska elektronien sähkömagneettinen sitoutuminen atomiytimiin tuottaa noin ~10 eV energiaa kappaleelta. Myös gravitaatiopotentiaalienergialla, joka syntyy massan aiheuttamasta avaruuden muodonmuutoksesta, on merkitystä. Jopa planeetta Maa on kokonaisuudessaan noin 0,00000004% vähemmän massiivinen kuin sen muodostavat atomit, sillä maailmamme gravitaatiopotentiaalienergia on yhteensä jopa 2 × 1032 J energiaa.
ruudukko, massan laskeminen aiheuttaa sen, että ne, jotka olisivat olleet ”suoria”, sen sijaan kaartuvat tietyllä määrällä. Maan gravitaatiovaikutuksista johtuva avaruuden kaarevuus on yksi gravitaatiopotentiaalienergian visualisointi, joka voi olla valtava niinkin massiivisille ja kompakteille järjestelmille kuin planeettamme. Christopher Vitale, networkoologies ja Pratt-instituutti
, kun on kyse Einsteinin kuuluisimmasta yhtälöstä, E = mc2 kertoo, että kaikella, jolla on massaa, on siihen luontaisesti sisältyvä perustavanlaatuinen määrä energiaa, jota ei voida poistaa millään keinoin. Vain tuhoamalla kappale kokonaan — joko törmäämällä siihen antiaineen kanssa (aiheuttaen energian vapautumisen) tai pumppaamalla siihen riittävästi energiaa (vain komposiittihiukkasten osalta jättäen sen perusosat ehjiksi) — voimme muuttaa tuon massan takaisin jonkinlaiseksi energiaksi.
standardimallin perushiukkasille Higgsin kenttä ja sen kytkeytyminen kuhunkin näistä hiukkasista tuottaa massan muodostavan energian, m. Mutta suurimmalle osalle universumin tunnetusta massasta, protoneille, neutroneille ja muille atomiytimille, se on sitova energia, joka syntyy voimakkaasta voimasta, joka antaa meille suurimman osan massastamme, m, niin kuin pimeä aine? Kukaan ei vielä tiedä, mutta se voi olla Higgs, jonkinlainen sitova energia, tai jotain aivan uutta. Olipa syy mikä tahansa, jokin kuitenkin antaa energiaa tälle näkymättömälle massalle. E = mc2 pitää varmasti paikkansa.
lähetä Ask Ethan-kysymyksesi starttaamaan gmail dot comissa!
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu sivustooni tai joihinkin muihin töihini täällä.