구경꾼의 청중,1934 년. 올바른 시스템에 상대성 이론을 적용한 결과는 우리가 에너지 보존을 요구한다면 E=mc^2 가 유효해야한다는 것을 요구합니다. Public domain image
우리가 우주를 설명하는 데 사용하는 모든 방정식 중 아마도 가장 유명한 방정식 인 E=mc2 도 가장 심오합니다. 100 년 전 아인슈타인이 처음 발견 한 것은 우리에게 여러 가지 중요한 것들을 가르쳐줍니다. 우리는 핵분열,핵융합 또는 물질-반물질 소멸을 통해 질량을 순수한 에너지로 변형시킬 수 있습니다. 우리는 순수한 에너지 이상으로 입자(및 반 입자)를 만들 수 있습니다. 그리고,아마도 가장 흥미롭게도,그것은 우리에게는 모든 개체 질량 방법에 상관없이 많은 우리가 멋진 그것은,그것을 느리게,또는 분리에서 그것을 모두 다른 항상 있을 것이 양의 고유의 에너지는 그것을 우리는 얻을 수 없습니다. 그러나 그 에너지는 어디에서 오는가? 그것이 Rene Berger 가 알고 싶어하는 것입니다.
제 질문은 방정식 E=mc2 에서”m”의 에너지는 어디에서 오는가?
알아 내기 위해 가장 작은 스케일에서 물질 내부를 잠수합시다.
아마도 더 작은 것들이 알려진 것 안에 놓여 있습니다. 의 출현과 함께 LHC,우리는 지금을 제한할 수 있습의 최소 크기 쿼크와 전자 10^-19 미터,하지만 우리는 알지 못하는 방법까지 아래로 그들이 진정으로 이동,그리고 그들은 점 같은,유한 크기,또는 실제로 합성 입자입니다. Fermilab
우리가해야 할 첫 번째 일은 방정식 E=mc2 를 이해하는 것이며,그 안에있는 각 용어를 분해하는 것을 의미합니다.
- E 는 에너지의 약자입니다.이 경우 우리가보고있는 입자(또는 입자 세트)에 포함 된 에너지의 총량입니다.
- m 질량의 약자: 총 나머지의 질량은 입자(들)우리는 고려하고,여기서”나머지는 질량”을 의미의 질량은 입지에서 운동,그리고되지 않은 다른 입자들을 통해 알려진 세력(인력,원자력,또는 전자기 힘).
- c2 은 빛의 속도로 제곱:이 경우에는 그냥 변환 요소는 우리에게 변환하는 방법 대량(는 우리 측에서는 킬로그램)에너지(는 우리에서 측정값을 줄).
우리가 핵 반응에서 너무 많은 에너지를 얻을 수있는 이유는이 방정식,E=mc2 에서 직접적으로 발생합니다.
Enewetak 환초. 테스트는 작전 아이비의 일부였습니다. 마이크는 지금까지 테스트 된 최초의 수소 폭탄이었습니다. 의 방출이 많은 에너지에 해당하는 약 500 그램의 문제로 변환 순수한 에너지:놀랄만큼 큰 폭발에 이러한 작은 양의 질량. 원자 반응을 포함하는 분열 또는 융합(또는 모두의 경우에는 아이비 마이크)생산할 수 있는 엄청나게 위험한,장기적인 방사성 폐기물이다. 국립 핵안보 관리/네바다 사이트의 사무실
도로 변환하려 할 경우 단지 하나의 킬로그램(1kg)대량의 에너지로,사실 c2 반드시 즉 우리와 동등한의 21.그 변환에서 에너지의 tnt 의 5 메가톤. 이유를 설명 태양 출력을 지원하므로 많은 에너지,왜 원자로는 그렇게 효율적이다;이유는 꿈의 통제되는 핵융합은”성배”의 에너지;그리고 왜 원자 폭탄은 모두 이렇게 강력하고 그래서 위험하다.
그러나 e=mc2 에도 더 행복한 측면이 있습니다. 그것은 당신이 그것에 무엇을 하든지 입자에서 벗어날 수없는 에너지의 형태가 존재한다는 것을 의미합니다. 그것이 존재하는 한,이 형태의 에너지는 항상 그것과 함께 남아있을 것입니다. 는의를위한 매혹적인 이유이지만,아마도 가장 흥미로운 하나는 모든 다른 형태의 에너지 정말 제거할 수 있습니다.
우주에 결정하는 때,그리고 어떤 상황에서 그들이 만들 수 있는 방법에 대해서도 설명합 그들은 곡선은 시공간에서는 일반적인 상대성 이론. 입자,필드 및 시공간의 특성은 모두 우리가 거주하는 우주를 설명하는 데 필요합니다. 도. 15-04a 우주에서 검토.캘리포니아
예를 들어,입자의 운동에 있는 운동에너지:에너지와 관련된 그것의 운동을 통해 우주도 있습니다. 할 때 빠르게 움직이는 대규모 개체와 충돌하는 또 다른 객체를 부여 에너지 모두 모멘텀으로 결과의 충돌에 관계없이,다른 무엇이 발생합니다. 에너지의 이 모양은 입자의 나머지 질량 에너지의 위에 존재한다;입자의 운동에 본질적인 에너지의 모양이다.그러나 그것은 입자 자체의 성질을 변화시키지 않고 제거 할 수있는 에너지의 한 형태입니다. 단순히 강화하여 자신을 그렇게 당신이 이와 같은 정확한 속도(크기와 방향)으로 입자가 당신을 보고,당신을 줄일 수 있는 총 에너지의하는 입자이지만,아래로는 특정 최소화합니다. 운동 에너지를 모두 제거하더라도 e=mc2 에 의해 정의 된 부분 인 나머지 질량 에너지는 계속 변하지 않을 것입니다.
태양,그런 다음 다른 운동 방향으로 은하계를 통해 이동합니다. 행성들은 모두 같은 평면에 있으며,태양 뒤에 끌거나 어떤 유형의 항적을 형성하지 않는다는 점에 유의하십시오. 만약 우리가 이동하는 상대를 태양이 나타날 것이라고 많이 갖고있는 운동 에너지,만약 우리가 이와 같은 속도에서 같은 방향으로,그러나,그것의 운동에너지를 삭제할 것입니다. 리스 테일러
당신이 생각할 수 있습니다 이미 제거할 수 있습니다 모든 형태의 에너지 다른 것보다 나머지량 에너지,다음에 대한 어떤 시스템에서 모두. 잠재적 인 에너지,결합 에너지,화학 에너지 등 당신이 생각할 수있는 다른 모든 형태의 에너지. -휴식 질량과 별개로 사실입니다. 올바른 조건에서 이러한 형태의 에너지를 빼앗아 맨손으로 움직이지 않고 격리 된 입자 만 남겨 둘 수 있습니다. 그 시점에서,그들이 가진 유일한 에너지는 나머지 질량 에너지:E=mc2 입니다.
그렇다면 e=mc2 의 m 인 나머지 질량은 어디에서 오는가? 당신은 부분적으로 올바른”힉스”에 대답하는 것이 빠를 수도 있습니다. 다시 초기 단계에서,우주에서 1 보다 작은 후 두 번째,빅뱅의 약전자기 대칭하는 통합 전자기력과 약한 원자력이 복원되었고,행동으로 하나의 힘입니다. 우주가 충분히 팽창하고 냉각되었을 때,그 대칭이 깨졌고,표준 모델의 입자에 대한 결과는 엄청났습니다.
top),모든 것이 대칭이며 선호 상태가 없습니다. 때 대칭으로서 낮은 에너지(블루,공단),동일한 자유의 모든 방향으로 동일한,더 이상 존재합니다. Electroweak 대칭 파괴의 경우,이로 인해 Higgs 필드가 표준 모델의 입자와 커플 링되어 질량이 부여됩니다. Phys. 오늘 66, 12, 28 (2013)
에 대한 하나의 입자를 포함한 모든의 쿼크와 충전 경입자 획득 a non-zero 나머지는 질량. 때문에의 연결 이러한 각각의 퀀텀의 에너지 힉스 필드,양자는 침투,우주 입자만 지금 non-zero 나머지는 질량. 이 입자에 대한 m 의 에너지가 어디에서 오는지에 대한 부분적인 대답입니다: 그들의 결합에서 근본적인 양자 필드에 이르기까지.그러나 항상 그렇게 간단하지는 않습니다. 는 경우에 당신은 대량의 전자와 그것을 설명하기 위해 노력에 기반한 전자의 결합을 힉스,당신은 100%성공적인:의 기여 힉스를 전자의 질량은 당신이 정확하게 전자의 질량. 하지만 경우에 당신을 설명하려고 대량의 양성자,이에 추가하여 나머지에 대중의 쿼크와 글루온 그들에게 그것을 당신의 손실을 초래할 수 있습니다. 짧은 방법,사실: 938MeV/c2 의 실제 값을 얻는 대신~1%의 방법 만 얻을 수 있습니다.
모델 표준(는 방법으로는 키를 표시합 관계와 패턴 더 완전하며,적은 오해에서 보다 더 익숙한 이미지에 따라 4×4 각의 입자). 특히,이 다이어그램을 묘사하는 모든 입자의 표준에서 모델(를 포함하여 그들의 문자의 이름,대중,회전,왼손잡이,비용,상호작용 계기를 센다:즉,으로 강하고 약전자기 힘). 그것은 또한 묘사의 역할까지 힉스,그리고 구조의 약전자기 symmetry breaking,는 방법을 나타내는 힉스 진공 기대 값을 나누기는 약전자기 대칭하는 방법과 특성을의 나머지 입자 변경으로 결과입니다. Latham 보일 및 Mardus 의 허
이후 양자(과 관련된 기타 원자핵)는 모두의 쿼크와 글루온 및 구성 대부분의 대량의 정상적인(알)우주에서 물질이 있어야 다른 참가자. 양성자의 경우,범인은 강한 핵력이다. 과는 달리 중력과 전자기력에 강한 원자력에 따라 양자 chromodynamics 고”color”속성의 쿼크와 글루온 실제로는 더 멀리 두 개의 쿼크를 얻을.
의 세 가지 쿼크 씩 각각 nucleon 에서는 원자핵에 의해 함께 개최됩 글루온 교환 사이에 이 쿼크:봄 같은 힘을 가져오는 강한 멀리 떨어져의 쿼크를 얻을. 는 이유는 양성자가 한정된 크기에도 불구하고,만드는 점 같은 입자,이기 때문에 강도의 이 힘의 요금과 카플링의 입자 내부에 원자핵.
‘색 전하’의 존재와 글루온의 교환은 원자핵을 함께 보유하는 힘을 담당합니다. 글루온은 강한 힘이 그것이해야하는 것처럼 행동하기 위해서는 색상/안티 컬러 조합으로 구성되어야합니다. 허 사용자 Qashqaiilove
경우 쿼크할 수 있게 해제 될 수 있는 대부분의 질량에서 우주는 것으로 다시 변환하는 에너지로;E=mc2 가역 반응입니다. 에서 매우 높은 에너지 등에서 아주 이른 우주로 또는 무거운 이온 참관국이 다음과 같 RHIC 또는에서 뿐 아니라,이러한 조건이 달성되었다,만들기 quark-글루온 플라즈마입니다. 면 온도,에너지 밀도를 드롭을 낮은 충분한 값,그러나,쿼크가 다시에 국한되고,대부분의 일반질의 대량합니다.
다시 말해,그것은 훨씬 적은 정력적으로 유리한가 무료 세 가지 쿼크도로 나머지는 대규모에 의해 그들에게 주어진 Higgs—보다 그것은 그 쿼크 바인딩으로 함께 합성 입자를 다음과 같은 양자와 중성자. 대부분의 에너지(E)에 대한 책임이 알려진 대중(m)에서 우리의 우주에서 강한 힘과 결합에너지 도입하여 양자는 규칙을 가진 입자의 색-니다.
그것의 회전,그러나 그래서 글루온,바다 쿼크와 antiquarks,그리고 궤도 각운동량뿐만 아니라 않습니다. 정전기 반발하고 매력적인 강한 핵군,탠덤에서 무엇을 제공자의 크기,속성의 quark 혼합하는 데 필요한 설명의 스위트 룸은 무료이며 복합립자에서 우리 우주도 있습니다. 쿼크의 나머지 질량과 함께 다른 형태의 결합 에너지의 합은 양성자와 모든 원자핵에 질량을 부여하는 것입니다. APS/Alan Stonebraker
우리 모두가 오래 전에 배운 것은 여전히 사실입니다: 에너지는 항상 한 형태에서 다른 형태로 변환 될 수 있습니다. 그러나 이것은 단지 비용으로 발생합니다:그 추가 형태의 에너지를 제거하기 위해 시스템에 충분한 에너지를 펌핑하는 비용. 에 대한 운동에너지를 들어,이전에는 증폭 하나 당신의 속도(으로 관찰자)또는 입자의 속도(상대적으로 당신,관찰자)질 때까지,모두의는 필요의 입력 에너지입니다.
다른 형태의 에너지에 대해서는 더 복잡 할 수 있습니다. 중성 원자는~0 입니다.원자핵에 대한 전자의 전자기 결합은 약~10eV 의 에너지를 방출하기 때문에 이온화 된 원자보다 0001%덜 거대합니다. 질량으로 인한 공간의 변형으로 인한 중력 포텐셜 에너지도 역할을합니다. 도 행성,지구 전체에 대한 0.00000004%적은 대규모 이상의 원자는,그것으로 중력 에너지의 세계 합계 최대 2×1032J 의 에너지입니다.
그리드,질량을 내려 놓으면’직선’선이 아닌 특정 양만큼 곡선이되었을 것입니다. 곡률의 공간으로 인해 중력 효과의 지구가 하나의 시각화의 중력 에너지,거대할 수 있는 시스템으로 대규모 및 소형으로 우리 행성이다. 크리스토퍼탈의 Networkologies 및 Pratt Institute
때 그것에 관해서 아인슈타인의 가장 유명한 방정식,E=mc2 저희에게 말한 모든 것을 가량이 기본적 양의 에너지 고유한 그것에 의해 제거 될 수 없습니다. 만을 파괴하여 객체를 완전히 중 충돌에 의해 그것과 함께 반물질(일으키는 에너지의 방출)또는 펌프는 충분한 에너지는 그것으로(예 합성 입자를 만나 그것의 근본적인 성분 그대로)—우리는 변환하는 대량으로 다시 에너지의 형태입니다.
표준 모델의 기본 입자에 대해 Higgs 필드와 그 입자 각각에 대한 결합은 질량,m 을 구성하는 에너지를 제공합니다. 하지만 대부분의 질량에서 우주,양성자,중성자,그리고 다른 원자핵,그것은 바인 에너지에서 발생하는 강한 힘을 제공하는 우리 대부분의 질량,m. 어두운 문제인가? 아무도 아직 알고 있지만,그것은이 될 수 있습 Higgs,일부 형태의 결합에너지,또는 다른 뭔가를 전적으로 한다. 원인이 무엇이든,그러나 무언가는이 보이지 않는 질량을위한 에너지를 제공하고 있습니다. E=mc2 는 사실로 유지해야합니다.
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