Vraag Ethan: als Einstein gelijk heeft en E = mc2, Waar haalt massa dan zijn energie vandaan?

publiek van toeschouwers, in 1934. De gevolgen van de toepassing van relativiteit op de juiste systemen vereisen dat, als we energiebesparing eisen, E = mc^2 geldig moet zijn. Public domain image

van alle vergelijkingen die we gebruiken om het universum te beschrijven, is misschien wel de beroemdste, E = mc2, ook de meest diepgaande. Voor het eerst ontdekt door Einstein meer dan 100 jaar geleden, het leert ons een aantal belangrijke dingen. We kunnen Massa omzetten in pure energie, zoals door kernsplijting, kernfusie, of materie-antimaterie vernietiging. We kunnen deeltjes (en antideeltjes) creëren uit niets meer dan pure energie. En, misschien wel het meest interessant, het vertelt ons dat elk object met massa, ongeacht hoe veel we het afkoelen, vertragen, of isoleren van al het andere, zal altijd een hoeveelheid inherente energie die we nooit kunnen ontdoen van. Maar waar komt die energie vandaan? Dat is wat Rene Berger wil weten met de vraag:

mijn vraag is, in de vergelijking E = mc2, waar komt de energie in de “m” vandaan?

laten we duiken in materie op de kleinste schalen om erachter te komen.

met mogelijk kleinere die in wat bekend is liggen. Met de komst van de LHC, kunnen we nu de minimale grootte van quarks en elektronen beperken tot 10^-19 meter, maar we weten niet hoe ver ze echt gaan, en of ze puntachtig zijn, eindig in grootte, of eigenlijk samengestelde deeltjes. Fermilab

het eerste wat we moeten doen is de vergelijking E = mc2 begrijpen, en dat betekent dat we elk van de termen erin moeten afbreken.

1. E staat voor energie: in dit geval, de totale hoeveelheid energie in het deeltje (of verzameling deeltjes) waar we naar kijken.
2. m staat voor massa: de totale rustmassa van het(de) deeltje (en) die we overwegen, waarbij “rustmassa” betekent de massa van het deeltje dat niet in beweging is, en niet gebonden is aan andere deeltjes door een van de bekende krachten (zwaartekracht, de nucleaire krachten, of de elektromagnetische kracht).
3. c2 is de lichtsnelheid in het kwadraat: in dit geval gewoon een conversiefactor, die ons vertelt hoe we massa (die we in kilogrammen meten) moeten converteren naar energie (die we in joules meten).

de reden dat we zoveel energie uit een kernreactie kunnen halen komt rechtstreeks uit deze vergelijking, E = mc2.

Enewetak Atol. De test was onderdeel van de operatie Ivy. Mike was de eerste waterstofbom ooit getest. Het vrijkomen van zoveel energie komt overeen met ongeveer 500 gram materie die wordt omgezet in pure energie: een verbazingwekkend grote explosie voor zo ‘ n kleine hoeveelheid massa. Kernreacties waarbij kernsplijting of kernfusie (of beide, zoals in het geval van Ivy Mike) betrokken zijn, kunnen enorm gevaarlijk, langdurig radioactief afval produceren. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office

zelfs als we slechts een enkele kilogram (1 kg) massa omzetten in energie, het feit dat c2 noodzakelijkerwijs betekent dat we het equivalent van 21 krijgen.5 Megaton TNT van energie uit die conversie. Dit verklaart waarom de zon zoveel energie afgeeft; waarom kernreactoren zo efficiënt zijn; waarom de droom van gecontroleerde kernfusie de “Heilige Graal” van energie is; en waarom atoombommen zowel zo krachtig als zo gevaarlijk zijn.

maar er is ook een betere kant aan E = mc2. Het betekent dat er een vorm van energie bestaat die niet verwijderd kan worden van een deeltje, wat je er ook mee doet. Zolang het bestaat, zal deze vorm van energie er altijd bij blijven. Dat is fascinerend om een aantal redenen, maar misschien wel de meest interessante is dat alle andere vormen van energie echt verwijderd kunnen worden.

het universum bepaalt wanneer en onder welke omstandigheden ze kunnen worden gecreëerd, en beschrijft ook hoe ze de ruimtetijd in de Algemene Relativiteitstheorie zullen krommen. De eigenschappen van deeltjes, velden en ruimtetijd zijn allemaal nodig om het universum te beschrijven dat we bewonen. Fig. 15-04a van universe-review.ca

bijvoorbeeld, een deeltje in beweging heeft kinetische energie: de energie die geassocieerd is met zijn beweging door het universum. Wanneer een snel bewegend, massief object botst met een ander object, zal het zowel energie als impuls geven als gevolg van de botsing, ongeacht wat er nog meer gebeurt. Deze vorm van energie bestaat bovenop de rest massa energie van het deeltje; het is een vorm van energie intrinsiek aan de beweging van het deeltje.

maar dat is een vorm van energie die kan worden verwijderd zonder de aard van het deeltje zelf te veranderen. Gewoon door jezelf te stimuleren zodat je beweegt met dezelfde exacte snelheid (grootte en richting) als het deeltje dat je bekijkt, kun je de totale energie van dat deeltje verlagen, maar alleen tot een bepaald minimum. Zelfs als je al zijn kinetische energie verwijdert, zal zijn rustmassa-energie, het deel gedefinieerd door E = mc2, onveranderd blijven.

zon, die dan in een andere bewegingsrichting door het melkwegstelsel beweegt. Merk op dat de planeten zich allemaal in hetzelfde vlak bevinden, en niet achter de zon slepen of een kielzog vormen van welk type dan ook. Als we zouden bewegen ten opzichte van de zon, zou het veel kinetische energie hebben; als we met dezelfde snelheid bewegen als het in dezelfde richting, echter, zou zijn kinetische energie dalen tot nul. Rhys Taylor

je zou kunnen denken dat dit betekent dat je elke vorm van energie anders dan rust massa energie kunt verwijderen, dan, voor elk systeem. Alle andere vormen van energie die je kunt bedenken-potentiële energie, bindende energie, chemische energie, enz. – zijn gescheiden van rust massa, het is waar. Onder de juiste omstandigheden kunnen deze vormen van energie worden weggenomen, waardoor alleen de kale, onbeweeglijke, geïsoleerde deeltjes achterblijven. Op dat moment, de enige energie die ze zouden hebben is hun rust massa energie: E = mc2.

dus waar komt de rustmassa, de M in E = mc2, vandaan? Je zou snel kunnen antwoorden “het Higgs,” wat gedeeltelijk correct is. Terug in de vroege stadia in het universum, minder dan 1 seconde na de oerknal, werd de elektrozwakke symmetrie die de elektromagnetische kracht met de zwakke kernkracht Verenigde hersteld, zich gedraagt als één enkele kracht. Toen het universum zich uitbreidde en genoeg afkoelde, brak die symmetrie, en de gevolgen voor de deeltjes van het standaardmodel waren enorm.

top), alles is symmetrisch, en er is geen voorkeursstatus. Wanneer de symmetrie wordt gebroken bij lagere energieën (blauwe bal, onderkant), is dezelfde vrijheid, van alle richtingen die hetzelfde zijn, niet langer aanwezig. In het geval van het breken van elektrozwakke symmetrie zorgt dit ervoor dat het higgsveld zich koppelt aan de deeltjes van het standaardmodel, waardoor ze massa krijgen. Phys. Vandaag 66, 12, 28 (2013)

ten eerste kregen veel van de deeltjes — inclusief alle quarks en geladen leptonen — een niet-nul rustmassa. Door de koppeling van elk van deze kwanta van energie aan het higgsveld, een kwantumveld dat het universum doordringt, hebben veel deeltjes nu een niet-nul rustmassa. Dit is een gedeeltelijk antwoord op waar de energie in de m voor deze deeltjes vandaan komt: van hun koppeling naar een fundamenteel kwantumveld.

maar het is niet altijd zo eenvoudig als dat. Als je de massa van een elektron neemt en het probeert uit te leggen op basis van de koppeling van het elektron aan het Higgs, Dan ben je 100% succesvol: de bijdrage van het Higgs aan de massa van het elektron geeft je precies de massa van het elektron. Maar als je hiermee de massa van het proton probeert te verklaren, door de restmassa ‘ s van de quarks en gluonen samen te tellen, kom je tekort. Heel kort zelfs.: in plaats van het krijgen van de werkelijke waarde van 938 MeV/c2, krijg je gewoon ~1% van de weg daar.

standaardmodel (op een manier die de belangrijkste relaties en patronen vollediger en minder misleidend weergeeft dan in het meer bekende beeld gebaseerd op een 4×4 vierkant van deeltjes). In het bijzonder toont dit diagram alle deeltjes in het standaardmodel (met inbegrip van hun letternamen, massa ‘ s, spins, handedness, ladingen, en interacties met de ijkbosonen: dat wil zeggen, met de sterke en elektrozwakke krachten). Het toont ook de rol van het higgsboson, en de structuur van het breken van de elektrozwakke symmetrie, wat aangeeft hoe de Higgs vacuüm verwachtingswaarde de elektrozwakke symmetrie breekt, en hoe de eigenschappen van de resterende deeltjes als gevolg daarvan veranderen. Latham Boyle en Mardus van Wikimedia Commons

omdat protonen (en andere, verwante atoomkernen) allemaal gemaakt zijn van quarks en gluonen, en het grootste deel van de massa van de normale (bekende) materie in het universum vormen, moet er een andere bijdrager zijn. In het geval van protonen, is de boosdoener de sterke nucleaire kracht. In tegenstelling tot de gravitationele en elektromagnetische krachten, wordt de sterke nucleaire kracht — gebaseerd op kwantumchromodynamica en de “kleur” eigenschap van quarks en gluonen — sterker naarmate twee quarks verder weg komen.

elk nucleon in een atoomkern wordt bijeengehouden door gluonen die tussen deze quarks worden uitgewisseld: een veerkracht die sterker wordt naarmate de quarks verder uit elkaar komen. De reden dat protonen een eindige grootte hebben, ondanks dat ze bestaan uit puntachtige deeltjes, is vanwege de sterkte van deze kracht en de ladingen-en-koppelingen van de deeltjes in de atoomkern.

het bestaan van ‘kleurlading’ en de uitwisseling van gluonen is verantwoordelijk voor de kracht die atoomkernen bij elkaar houdt. Een gluon moet bestaan uit een kleur/anticolor combinatie om de sterke kracht te gedragen zoals het moet, en doet. Wikimedia Commons-gebruiker Qashqaiilove

als de quarks op de een of andere manier zouden kunnen worden bevrijd, zou het grootste deel van de massa in het universum worden omgezet in energie; E = mc2 is een omkeerbare reactie. Bij ultrahoge energieën, zoals in het zeer vroege universum of in zware ionenbotsers zoals RHIC of bij de LHC, zijn deze omstandigheden bereikt, waardoor een quark-gluonplasma ontstaat. Zodra de temperaturen, energieën en dichtheden echter dalen tot laag genoeg waarden, worden de quarks opnieuw beperkt, en dat is waar het grootste deel van de massa van normale materie vandaan komt.

met andere woorden, het is veel minder energetisch gunstig om drie vrije quarks te hebben — zelfs met de niet-nul — rustmassa die hen door het Higgs gegeven wordt-dan het is om die quarks samen te binden tot samengestelde deeltjes zoals protonen en neutronen. De meerderheid van de energie (E) die verantwoordelijk is voor de bekende massa ‘ s (m) in ons universum komt van de sterke kracht, en de bindende energie die wordt geïntroduceerd door de kwantumregels die deeltjes met een kleurlading regelen.

de spin, maar ook de gluonen, zeequarks en antiquarks, en orbitale impulsmoment. De elektrostatische afstoting en de aantrekkelijke sterke nucleaire kracht, in combinatie, zijn wat het proton zijn grootte geven, en de eigenschappen van quark mengen zijn nodig om de suite van vrije en samengestelde deeltjes in ons universum te verklaren. De som van de verschillende vormen van bindingsenergie, samen met de rustmassa van de quarks, is wat massa geeft aan het proton en alle atoomkernen. APS / Alan Stonebraker

wat we allemaal lang geleden geleerd hebben is nog steeds waar: energie kan altijd van de ene vorm naar de andere worden omgezet. Maar dit gebeurt alleen tegen een prijs: de kosten van het pompen van voldoende energie in een systeem om die extra vorm van energie te elimineren. Voor kinetische energie voorbeeld eerder, dat betekende het verhogen van ofwel je snelheid (als de waarnemer) of de snelheid van het deeltje (ten opzichte van u, de waarnemer) totdat ze overeenkomen, die beide de input van energie nodig.

voor andere vormen van energie kan het complexer zijn. Neutrale atomen zijn ~0.0001% minder massief dan geïoniseerde atomen, omdat de elektromagnetische binding van elektronen aan atoomkernen ongeveer ~10 eV energie per stuk afgeeft. Gravitationele potentiële energie, als gevolg van de vervorming van de ruimte als gevolg van een massa, speelt ook een rol. Zelfs planeet Aarde, als geheel, is ongeveer 0,00000004% minder massief dan de atomen waaruit het bestaat, als de zwaartekracht potentiële energie van onze wereld in totaal tot 2 × 1032 J van energie.

raster, het neerzetten van een massa zorgt ervoor dat wat ‘rechte’ lijnen zouden zijn in plaats daarvan gebogen worden met een specifieke hoeveelheid. De kromming van de ruimte als gevolg van de gravitatieeffecten van de aarde is een visualisatie van potentiële gravitatieenergie, die enorm kan zijn voor systemen zo massief en compact als onze planeet. Christopher Vitale van Networkologies en het Pratt Institute als het gaat om Einsteins beroemdste vergelijking, vertelt E = mc2 ons dat alles met massa een fundamentele hoeveelheid energie heeft die inherent is aan het, die op geen enkele manier kan worden verwijderd. Alleen door het object volledig te vernietigen — hetzij door het te botsen met antimaterie (waardoor energie vrijkomt) of door er voldoende energie in te pompen (alleen voor samengestelde deeltjes, waardoor de fundamentele bestanddelen intact blijven) — kunnen we die massa weer omzetten in energie van een of andere vorm.

voor de fundamentele deeltjes van het standaardmodel levert het higgsveld en zijn koppeling aan elk van deze deeltjes de energie waaruit de massa, m, bestaat. Maar voor het grootste deel van de bekende massa in het universum, protonen, neutronen en andere atoomkernen, is het de bindende energie die voortkomt uit de sterke kracht die ons het grootste deel van onze massa geeft, m. voor donkere materie? Niemand weet het nog, maar het kan het Higgs zijn, een vorm van bindende energie, of iets heel nieuws. Wat de oorzaak ook is, iets levert de energie voor deze onzichtbare massa. E = mc2 zal zeker waar blijven.

stuur je ask Ethan vragen naar startswithabang op gmail dot com!

haal het beste van Forbes naar uw inbox met de nieuwste inzichten van experts over de hele wereld.

Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een aantal van mijn andere werk hier.

Laden …