nézőközönség, 1934. A megfelelő rendszerekre való relativitáselmélet alkalmazásának következményei megkövetelik, hogy ha energiamegtakarítást követelünk, az E = mc^2 érvényesnek kell lennie. Public domain image
az összes olyan egyenlet, amelyet az univerzum leírására használunk, talán a leghíresebb, E = mc2, szintén a legmélyebb. Először fedezte fel Einstein több mint 100 évvel ezelőtt, azt tanítja nekünk számos fontos dolog. A tömeget tiszta energiává alakíthatjuk át, például maghasadással, magfúzióval vagy anyag-antianyag megsemmisítéssel. Részecskéket (és antirészecskéket) csak tiszta energiából tudunk létrehozni. És talán a legérdekesebb, hogy azt mondja nekünk, hogy bármilyen tömegű tárgy, függetlenül attól, hogy mennyire hűtjük le, lelassítjuk, vagy elszigeteljük minden mástól, mindig olyan mennyiségű benne rejlő energiával rendelkezik, amelyet soha nem tudunk megszabadulni. De honnan származik ez az energia? Ezt akarja Rene Berger tudni, kérve:
a kérdésem az, hogy az E = mc2 egyenletben honnan származik az” m ” energiája?
merüljünk bele az anyagba a legkisebb skálákon, hogy megtudjuk.
valószínűleg kisebbek fekszenek az ismertekben. Az LHC megjelenésével a kvarkok és elektronok minimális méretét 10^-19 méterre korlátozhatjuk, de nem tudjuk, milyen messzire mennek, és hogy pontszerűek-e, végesek-e, vagy valójában kompozit részecskék. Fermilab
az első dolog, amit meg kell tennünk, hogy megértsük az E = mc2 egyenletet,ami azt jelenti, hogy lebontjuk az egyes kifejezéseket.
- E jelentése energia: ebben az esetben, a teljes mennyiségű energiát tartalmazott a részecske (vagy sor részecskék) nézzük.
- m jelentése tömeg: az összes többi tömegű részecske(ek) gondolkodunk, ahol a “pihenés tömeg” azt jelenti, hogy a tömeg a részecskék nem a mozgás, de nem köteles egyéb részecskék között minden ismert erők (gravitáció, a nukleáris erők, vagy az elektromágneses erő).
- C2 a négyzet alakú fénysebesség: ebben az esetben csak egy konverziós tényező, amely megmutatja nekünk, hogyan kell átalakítani a tömeget (amelyet kilogrammban mérünk) energiává (amelyet joule-ban mérünk).
az ok, amiért annyi energiát nyerhetünk egy nukleáris reakcióból, közvetlenül ebből az egyenletből származik, E = mc2.
Enewetak Atoll. A teszt az Ivy művelet része volt. Mike volt az első hidrogénbomba, amit valaha teszteltek. Ennek a sok energiának a felszabadulása körülbelül 500 gramm anyagnak felel meg, amelyet tiszta energiává alakítanak át: meglepően nagy robbanás egy ilyen apró tömeghez. A maghasadással vagy fúzióval járó nukleáris reakciók (vagy mindkettő, mint az Ivy Mike esetében) rendkívül veszélyes, hosszú távú radioaktív hulladékot termelhetnek. A National Nuclear Security Administration/Nevada Site Office
még akkor is, ha csak egy kilogramm (1 kg) tömeget konvertálnánk energiává, az a tény, hogy a c2 szükségszerűen azt jelenti, hogy 21-nek felelnénk meg.5 megatons TNT energia ki, hogy a konverzió. Ez megmagyarázza, hogy a nap miért bocsát ki annyi energiát; miért olyan hatékonyak az atomreaktorok; miért az ellenőrzött nukleáris fúzió álma az energia “Szent Grálja”; és miért olyan erősek és veszélyesek az atombombák.
de van egy boldogabb oldala E = mc2, is. Ez azt jelenti, hogy létezik olyan energiaforma, amelyet nem lehet elvenni egy részecskétől, függetlenül attól, hogy mit csinálsz vele. Mindaddig, amíg fennáll, ez az energiaforma mindig vele marad. Ez több okból is lenyűgöző, de talán a legérdekesebb az, hogy az energia minden más formája valóban eltávolítható.
az univerzum meghatározza, hogy mikor és milyen körülmények között hozhatók létre, valamint leírja, hogyan fogják görbíteni a téridőt az Általános relativitáselméletben. A részecskék, mezők és a téridő tulajdonságai mind szükségesek ahhoz, hogy leírjuk az általunk lakott univerzumot. Fig. 15-04A-tól universe-review.ca
például egy mozgásban lévő részecske kinetikus energiával rendelkezik: az univerzumon keresztül történő mozgásához kapcsolódó energia. Amikor egy gyorsan mozgó, hatalmas tárgy ütközik egy másik objektummal, az ütközés következtében mind energiát, mind lendületet ad neki, függetlenül attól, hogy mi történik. Ez az energiaforma a részecske többi tömegenergiáján felül létezik;ez a részecske mozgásának belső energiája.
de ez az energia olyan formája, amely eltávolítható a részecske természetének megváltoztatása nélkül. Egyszerűen azáltal, hogy megnöveli magát, hogy ugyanolyan pontos sebességgel (nagyságrenddel és irányával) mozogjon, mint a megfigyelt részecske, csökkentheti a részecske teljes energiáját, de csak egy bizonyos minimumra. Még akkor is, ha eltávolítja az összes kinetikus energiáját, a többi tömeg energiája, az E = mc2 által meghatározott rész továbbra is változatlan marad.
nap, amely ezután mozog a galaxisban egy másik irányba-of-mozgás. Ne feledje, hogy a bolygók mind ugyanabban a síkban vannak, és nem húzódnak a nap mögé, vagy bármilyen típusú ébredést képeznek. Ha a Naphoz képest mozognánk, úgy tűnik, hogy sok kinetikus energiája van; ha ugyanolyan sebességgel mozognánk, mint ugyanabban az irányban, azonban, kinetikus energiája nullára csökken. Rhys Taylor
azt gondolhatja, hogy ez azt jelenti, hogy eltávolíthatja az energia minden formáját, kivéve a többi tömegenergiát, akkor, bármilyen rendszer számára. Az energia minden más formája, amire gondolhat-potenciális energia, kötő energia, kémiai energia stb. – elkülönülnek a többi tömegtől, ez igaz. A megfelelő körülmények között ezeket az energiaformákat el lehet távolítani, csak a csupasz, mozdulatlan, elszigetelt részecskéket hagyva hátra. Ezen a ponton az egyetlen energiájuk a pihenő tömeg energiája: E = mc2.
tehát honnan származik a többi tömeg, az m E = mc2-ben? Lehet, hogy gyorsan válaszol a “Higgs” – re, ami részben helyes. Az univerzum korai szakaszában, kevesebb, mint 1 másodperccel az ősrobbanás után, helyreállították az elektromágneses erőt a gyenge nukleáris erővel egyesítő elektroweak szimmetriát, egyetlen erőként viselkedve. Amikor az univerzum eléggé kibővült és lehűlt, ez a szimmetria eltört, és a standard modell részecskéire gyakorolt következmények hatalmasak voltak.
felső), minden szimmetrikus, nincs előnyben részesített állapot. Amikor a szimmetria alacsonyabb energiákon (kék golyó, alsó) megszakad, ugyanaz a szabadság, minden irány azonos, már nincs jelen. Elektroweak szimmetriatörés esetén ez azt eredményezi, hogy a Higgs-Mező párosul a Standard modell részecskéivel, így tömegük van. Phys. Ma 66, 12, 28 (2013)
egy, sok részecske — beleértve az összes kvarkot és a töltött leptonokat is-nem nulla nyugalmi tömeget kapott. Mivel ezen energia kvantumai mindegyike összekapcsolódik a Higgs-mezővel, egy kvantummezővel, amely áthatolja az univerzumot, sok részecskének most nem nulla nyugalmi tömege van. Ez egy részleges válasz arra, hogy honnan származik az M energiája ezeknek a részecskéknek: a kapcsolástól az alapvető kvantummezőig.
de ez nem mindig olyan egyszerű. Ha egy elektron tömegét vesszük, és megpróbáljuk megmagyarázni az elektron Higgs-hez való kapcsolódása alapján, akkor 100% – ban sikeres leszel: a Higgs hozzájárulása az elektron tömegéhez pontosan megadja az elektron tömegét. De ha ezzel próbálod megmagyarázni a proton tömegét, a kvarkok és gluonok többi tömegének összeadásával, ami ezt alkotja, akkor rövid lesz. Nagyon rövid, valójában: ahelyett, hogy a tényleges értéke 938 MeV / c2, kapsz csak ~1% az út oda.
standard modell (oly módon, hogy megjeleníti a legfontosabb kapcsolatok és minták teljesen, és kevésbé félrevezető, mint a több ismerős kép alapján 4×4 négyzet részecskék). Ez a diagram különösen a standard modell összes részecskéjét ábrázolja (beleértve a betűneveket, tömegeket, pörgetéseket, kézfejeket, töltéseket és kölcsönhatásokat a mérő bozonokkal: azaz az erős és elektroweak erőkkel). Ez is ábrázolja a szerepe a Higgs-bozon, a szerkezet elektrogyenge szimmetria törés, jelezve, hogy a Higgs-vákuum elvárás érték szünetek elektrogyenge szimmetria, hogy a tulajdonságok a fennmaradó részecskék változás következtében. Latham Boyle és Mardus a Wikimedia Commons
mivel a protonok (és más kapcsolódó atommagok) mind kvarkokból és gluonokból állnak, és a normális (ismert) anyag tömegének nagy részét az univerzumban alkotják, egy másik közreműködőnek kell lennie. Protonok esetében a tettes az erős nukleáris erő. A gravitációs és elektromágneses erőkkel ellentétben az erős nukleáris erő — amely a kvantumkromodinamikán és a kvarkok és gluonok “szín” tulajdonságán alapul – valójában annál erősebb lesz, minél távolabb kerül két kvark.
fejenként három kvarkból áll, az atommag minden egyes nukleonját a kvarkok között cserélt gluonok tartják össze:egy rugószerű erő, amely erősebb lesz, minél távolabb vannak a kvarkok. Ennek oka, hogy a protonok véges méretűek, annak ellenére, hogy pontszerű részecskékből állnak, ennek az erőnek az ereje, valamint az atommag belsejében lévő részecskék töltése és összekapcsolása.
a “színes töltés” létezése és a gluonok cseréje felelős az atommagokat összetartó erőért. A gluonnak színes / antikolor kombinációból kell állnia annak érdekében, hogy az erős erő úgy viselkedjen, ahogy kell. Wikimedia Commons felhasználó Qashqaiilove
Ha a kvarkok valahogy felszabadulnának, az univerzum tömegének nagy része energiává alakulna vissza; E = mc2 reverzibilis reakció. Az ultra-nagy energiáknál, például a nagyon korai univerzumban vagy olyan nehézion ütközőkben, mint a RHIC vagy az LHC, ezeket a feltételeket elérték, létrehozva a kvark-gluon plazmát. Amint a hőmérséklet, az energiák és a sűrűség elég alacsony értékre csökken, a kvarkok újra bezáródnak, és innen származik a normál anyag tömegének többsége.
más szóval, ez jóval kevesebb, energetikailag kedvező, hogy van három szabad kvarkok — még a nem nulla maradék hatalmas adott nekik a Higgs—, mint az, hogy ezek a kvarkok köti össze összetett részecskék, mint a protonok, illetve neutronok. Az univerzumunkban ismert tömegekért (m) felelős energia (e) többsége az erős erőből származik, valamint a színes töltésű részecskéket szabályozó kvantumszabályok által bevezetett kötési energia.
spinje, de a gluonok,a tengeri kvarkok és az antiquarkok, valamint az orbitális szöglökések is. Az elektrosztatikus taszítás és a vonzó erős nukleáris erő együttesen adja meg a proton méretét, és a kvarkkeverés tulajdonságai szükségesek ahhoz, hogy megmagyarázzuk a szabad és összetett részecskék halmazát univerzumunkban. A kötési energia különböző formáinak összege a kvarkok nyugalmi tömegével együtt a proton és az összes atommag tömegét adja. APS / Alan Stonebraker
amit régen megtanultunk, még mindig igaz: az energia mindig átalakítható egyik formáról a másikra. De ez csak költséggel történik: annak költsége, hogy elegendő energiát pumpálnak egy rendszerbe annak érdekében, hogy kiküszöböljék ezt a további energiaformát. A kinetikus energia például korábban, ez azt jelentette, hogy növeljük a sebességet (megfigyelőként) vagy a részecske sebességét (Önhöz viszonyítva, a megfigyelő), amíg meg nem egyezik, mindkettő energiát igényel.
az energia más formái esetén összetettebb lehet. Semleges atomok ~0.0001% – kal kevésbé masszív, mint az ionizált atomok, mivel az elektronok atommagokhoz való elektromágneses kötődése körülbelül ~10 eV energiát bocsát ki fejenként. A tömeg miatt a tér deformációjából eredő gravitációs potenciális energia szintén szerepet játszik. Még a Föld bolygó egésze is körülbelül 0,00000004% – kal kevésbé masszív, mint az azt alkotó atomok, mivel világunk gravitációs potenciális energiája akár 2 × 1032 J energiát is tartalmaz.
rács, a tömeg lefelé helyezése azt eredményezi,hogy az “egyenes” vonalak ehelyett egy meghatározott összeggel görbülnek. A Föld gravitációs hatásai miatt a tér görbülete a gravitációs potenciál energiájának egyik vizualizációja, amely óriási lehet olyan hatalmas és kompakt rendszerek számára, mint bolygónk. Christopher Vitale, a Networkologies és a Pratt Intézet
amikor Einstein leghíresebb egyenletéről van szó, az E = mc2 azt mondja nekünk, hogy minden tömegnek alapvető energiája van benne, amelyet semmilyen módon nem lehet eltávolítani. Csak pusztít a tárgy teljesen — vagy az ütközést a antianyag (ami a kiadás energia), vagy pumpál elég energiát (a kompozit csak részecskék, így az alapvető összetevők ép) — tudjuk átalakítani, hogy a tömeges vissza az energia egy formája.
a Standard modell alapvető részecskéi esetében a Higgs-mező és az egyes részecskékhez való kapcsolódása biztosítja a tömeget alkotó energiát, m. De a legtöbb ismert tömeg az univerzumban, protonok, neutronok, és más atommagok, ez a kötési energia, amely abból az erős erő, amely megadja nekünk a legtöbb tömeg, m. a sötét anyag? Még senki sem tudja, de lehet, hogy a Higgs, a kötési energia valamilyen formája,vagy valami más teljesen újszerű. Bármi legyen is az oka, valami biztosítja az energiát ennek a láthatatlan tömegnek. E = mc2 biztos, hogy igaz marad.
küldje el kérdéseit a Startswithabanghoz a gmail dot com-on!
Kövess a Twitteren. Nézze meg a honlapomat, vagy néhány más munkám itt.