publikum av tilskuere, i 1934. Konsekvensene av å bruke relativitet til de riktige systemene krever At Hvis Vi krever energibesparelse, Må E = mc^2 være gyldig. Public domain image
av alle ligningene som vi bruker til å beskrive Universet, kanskje den mest kjente, E = mc2, er også den mest dype. Først oppdaget Av Einstein for mer enn 100 år siden, lærer Det oss en rekke viktige ting. Vi kan forvandle masse til ren energi, for eksempel gjennom fisjon, kjernefysisk fusjon, eller materie-antimaterie utslettelse. Vi kan lage partikler (og antipartikler) ut av noe mer enn ren energi. Og kanskje mest interessant, forteller det oss at ethvert objekt med masse, uansett hvor mye vi avkjøler det, senker det eller isolerer det fra alt annet, alltid vil ha en mengde iboende energi til det som vi aldri kan bli kvitt. Men hvor kommer denne energien fra? Det er Det Rene Berger vil vite, spør:
spørsmålet mitt er, I ligningen E = mc2, hvor kommer energien i «m» fra?
la oss dykke inn i saken på de minste skalaene for å finne ut.
med muligens mindre som ligger inne i det som er kjent. MED fremkomsten AV LHC kan vi nå begrense minimumsstørrelsen på kvarker og elektroner til 10^-19 meter, men vi vet ikke hvor langt ned de virkelig går, og om de er punktlignende, endelige i størrelse eller faktisk sammensatte partikler. Fermilab
det første vi må gjøre er å forstå ligningen E = mc2, og det betyr å bryte ned hver av betingelsene inne i den.
- e står for energi: i dette tilfellet er den totale mengden energi som finnes i partikkelen (eller settet av partikler) vi ser på.
- m står for messen: den totale hvilemassen til partikkelen(e) vi vurderer, hvor» hvilemasse » betyr massen av partikkelen som ikke er i bevegelse, og ikke bundet til noen andre partikler gjennom noen av de kjente kreftene (gravitasjon, atomkreftene eller den elektromagnetiske kraften).c2 er lysets hastighet kvadrert: i dette tilfellet, bare en konverteringsfaktor, som forteller oss hvordan du konverterer masse (som vi måler i kilo) til energi (som vi måler i joules).årsaken til at vi kan få så mye energi ut av en atomreaksjon kommer direkte fra denne ligningen, E = mc2.
Enewetak Atoll. Testen var en Del Av Operasjonen Ivy. Mike var den første hydrogenbomben som ble testet. En frigjøring av denne mye energi tilsvarer omtrent 500 gram materie som omdannes til ren energi: en forbausende stor eksplosjon for en så liten mengde masse. Kjernereaksjoner som involverer fisjon eller fusjon (eller begge, som I Tilfelle Av Ivy Mike) kan produsere enormt farlig, langsiktig radioaktivt avfall. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office
Selv om vi skulle konvertere bare en enkelt kilo (1 kg) masse til energi, betyr det faktum at c2 nødvendigvis at vi vil få tilsvarende 21.5 MEGATONN TNT av energi ut av den konverteringen. Dette forklarer Hvorfor Solen gir så mye energi; hvorfor atomreaktorer er så effektive; hvorfor drømmen om kontrollert kjernefysisk fusjon er den» hellige gral » av energi; og hvorfor atombomber er både så kraftige og så farlige.
Men Det er også en lykkeligere side Til e = mc2. Det betyr at det finnes en form for energi som ikke kan tas bort fra en partikkel uansett hva du gjør med den. Så lenge det forblir i eksistens, vil denne form for energi alltid forbli med den. Det er fascinerende av flere grunner, men kanskje det mest interessante er at alle andre former for energi virkelig kan fjernes.
Universet bestemmer når og under hvilke forhold de kan opprettes, og beskriver også hvordan De vil kurve romtid i Generell Relativitet. Egenskapene til partikler, felt og tidsrom er alle nødvendige for å beskrive Universet vi bor i. Fig. 15 – 04a fra universe-review.ca for eksempel har en partikkel i bevegelse kinetisk energi: energien forbundet med bevegelsen gjennom Universet. Når et raskt bevegelig, massivt objekt kolliderer med et annet objekt, vil det gi både energi og momentum til det som følge av kollisjonen, uansett hva som skjer. Denne formen for energi finnes på toppen av resten masse energi av partikkelen; det er en form for energi iboende til partikkel bevegelse.
Men Det Er en form for energi som kan fjernes uten å endre selve partikkelens natur. Bare ved å øke deg selv slik at du beveger deg med samme nøyaktige hastighet (størrelse og retning) som partikkelen du ser på, kan du redusere den totale energien til den partikkelen, men bare ned til et visst minimum. Selv om du fjerner all sin kinetiske energi, vil hvilemasseenergien, delen definert Av E = mc2, fortsette å forbli uendret.
Sol, som deretter beveger seg gjennom galaksen i en annen bevegelsesretning. Merk at planetene er alle i samme plan, og ikke drar bak Solen eller danner et våkne av noe slag. Hvis vi skulle bevege oss i forhold til Solen, ser det ut til å ha mye kinetisk energi; hvis vi flyttet med samme hastighet som den i samme retning, ville den kinetiske energien falle til null. Rhys Taylor Du tror kanskje at dette betyr at du kan fjerne enhver form for energi annet enn hvile masse energi, da, for ethvert system i det hele tatt. Alle andre former for energi du kan tenke på-potensiell energi, bindende energi, kjemisk energi, etc. – er atskilt fra resten masse, det er sant. Under de rette forholdene, kan disse formene for energi tas bort, slik at bare de nakne, unmoving, isolerte partikler bak. På det tidspunktet vil den eneste energien de har, være deres hvilemasseenergi: E = mc2.
Så hvor kommer hvilemassen, m i E = mc2, fra? Du kan være rask til å svare «Higgs», som er delvis riktig. Tilbake i De tidlige stadiene i Universet, mindre enn 1 sekund etter Big Bang, ble den elektrosvake symmetrien som forenet den elektromagnetiske kraften med den svake kjernekraften gjenopprettet, oppfører seg som en enkelt kraft. Når Universet utvidet og avkjølt nok, brøt den symmetrien, og konsekvensene for Partiklene I Standardmodellen var enorme.
top), alt er symmetrisk, og det er ingen foretrukket tilstand. Når symmetrien brytes ved lavere energier (blå ball, bunn), er den samme friheten, av alle retninger den samme, ikke lenger tilstede. I tilfelle av elektrosvak symmetribrudd, fører Dette Til At Higgs-feltet parres til Partiklene I Standardmodellen, noe som gir dem masse. Phys. I dag 66, 12, 28 (2013)
for en, mange av partiklene — inkludert alle kvarker og ladede leptoner — kjøpte en ikke-null hvilemasse. På grunn av koblingen av hver av disse kvantene av energi til Higgs-feltet, et kvantefelt som gjennomsyrer Universet, har mange partikler nå en ikke-null hvilemasse. Dette er et delvis svar på hvor energien i m for disse partiklene kommer fra: fra deres kobling til et grunnleggende kvantefelt.
men det er ikke alltid så enkelt som det. Hvis du tar massen av et elektron og prøver å forklare det basert på elektronens kobling Til Higgs, vil du være 100% vellykket: higgs bidrag til elektronens masse gir deg nøyaktig elektronens masse. Men hvis du prøver å forklare massen av protonen med dette, ved å legge opp resten massene av kvarker og gluoner som gjør det opp, kommer du til kort. Måte kort, faktisk: i stedet for å få den faktiske verdien av 938 MeV / c2, får du bare ~1% av veien der.
standardmodell (på en måte som viser nøkkelrelasjoner og mønstre mer fullstendig, og mindre villedende, enn i det mer kjente bildet basert på en 4×4 kvadrat av partikler). Spesielt viser dette diagrammet alle partiklene I Standardmodellen (inkludert bokstavnavn, masser, spinn, handedness, ladninger og samspill med gauge bosonene: dvs.med de sterke og elektrosvake kreftene). Det viser Også Rollen Til Higgs boson, og strukturen av electroweak symmetri bryte, indikerer Hvordan Higgs vakuum forventning verdi bryter electroweak symmetri, og hvordan egenskapene til de gjenværende partiklene endres som en konsekvens. Latham Boyle og Mardus av Wikimedia Commons
siden protoner (og andre relaterte atomkjerner) alle er laget av kvarker og gluoner, og utgjør størstedelen av massen til den normale (kjente) materien i Universet, må Det være en annen bidragsyter. I tilfelle av protoner er skyldige den sterke atomkraften. I motsetning til gravitasjons-og elektromagnetiske krefter, blir den sterke kjernekraften — basert på kvantekromodynamikk og «farge» — egenskapen til kvarker og gluoner-faktisk sterkere jo lenger unna to kvarker kommer.Består av tre kvarker stykket, hver nukleon i en atomkjerne holdes sammen av gluoner utvekslet mellom disse kvarker: en fjærlignende kraft som blir sterkere jo lenger fra hverandre kvarker få. Grunnen til at protoner har en endelig størrelse, til tross for at de er laget av punktlignende partikler, er på grunn av styrken av denne kraften og ladningene og koblingene til partiklene inne i atomkjernen.
hvis kvarkene på en eller annen måte kunne frigjøres, ville det meste av massen i Universet bli konvertert tilbake til energi; E = mc2 er en reversibel reaksjon. Ved ultrahøye energier, som i det aller tidlige Universet eller i tunge ionkolliderer SOM RHIC eller VED LHC, har disse forholdene blitt oppnådd, noe som skaper et kvarkgluonplasma. Når temperaturene, energiene og tetthetene faller til lave nok verdier, blir kvarkene imidlertid begrenset, og det er her flertallet av normal materies masse kommer fra.med andre ord er det langt mindre energisk gunstig å ha tre frie kvarker — selv med Den ikke-null hvile massive gitt Til Dem Av Higgs — enn det er å ha disse kvarkene bundet sammen i sammensatte partikler som protoner og nøytroner. Størstedelen av energien (E) som er ansvarlig for de kjente massene (m) i Vårt Univers kommer fra den sterke kraften, og bindingsenergien introdusert av kvantereglene som styrer partikler med en fargeladning.
dens spinn, men det gjør også gluonene, sjøkvarkene og antikvarkene, og orbital vinkelmoment også. Den elektrostatiske avstøtningen og den attraktive sterke kjernekraften er i tandem det som gir protonen sin størrelse, og egenskapene til kvarkblanding er nødvendig for å forklare pakken med frie og sammensatte partikler i Vårt Univers. Summen av de forskjellige formene for bindingsenergi, sammen med kvarkenes hvilemasse, er det som gir masse til protonen og alle atomkjerner. Aps/Alan Stonebraker
det vi alle lærte for lenge siden, er fortsatt sant: energi kan alltid konverteres fra en form til en annen. Men dette skjer bare til en kostnad: kostnaden for å pumpe nok energi inn i et system for å eliminere den ekstra form for energi. For kinetisk energi eksempel tidligere betydde det å øke enten hastigheten din (som observatør) eller partikkelens hastighet (i forhold til deg, observatøren) til de samsvarer, som begge krever energiinngang.
for andre former for energi kan det være mer komplekst. Nøytrale atomer er ~0.0001% mindre massiv enn ioniserte atomer, som elektromagnetisk binding av elektroner til atomkjerner avgir ca ~10 eV energi stykket. Gravitasjonspotensiell energi, som skyldes deformasjon av rom på grunn av en masse, spiller også en rolle. Selv planeten Jorden, som helhet, er omtrent 0.00000004% mindre massiv enn atomene som utgjør det, da gravitasjonspotensialenergien i vår verden utgjør opptil 2 × 1032 j energi.
grid, å sette en masse ned fører til at det som ville vært ‘rette’ linjer i stedet blir buet med en bestemt mengde. Krumningen i rommet på Grunn Av jordens gravitasjonseffekter er en visualisering av gravitasjonspotensiell energi, som kan være enorm for systemer som massive og kompakte som vår planet. Christopher Vitale Av Networkologies og Pratt Institute
Når Det gjelder Einsteins mest berømte ligning, forteller e = mc2 oss At alt med masse har en grunnleggende mengde energi som er iboende for Det som ikke kan fjernes på noen måte. Bare ved å ødelegge objektet helt — enten ved å kollidere det med antimaterie (forårsaker frigjøring av energi) eller pumpe nok energi inn i det (bare for sammensatte partikler, slik at dets grunnleggende bestanddeler blir intakte) — kan vi konvertere den massen tilbake til energi av en eller annen form.For De grunnleggende partiklene I Standardmodellen gir Higgs-feltet Og dets kobling til hver av disse partiklene energien som utgjør massen, m. Men for flertallet av den kjente massen I Universet, protoner, nøytroner og andre atomkjerner, er det bindingsenergien som oppstår fra den sterke kraften som gir oss mesteparten av vår masse, m. for mørk materie? Ingen vet ennå, men Det kan Være Higgs, en form for bindende energi, eller noe annet helt nytt. Uansett årsak, er det imidlertid noe som gir energien til denne usynlige massen. E = mc2 er sikker på å forbli sant.
Send Inn Spør Ethan spørsmål til startswithabang på gmail dot com! Få Det Beste Fra Forbes til innboksen din med den nyeste innsikten fra eksperter over hele verden.
Følg Meg På Twitter. Sjekk ut min hjemmeside eller noen av mine andre arbeid her.
Laster …