Zapytaj Ethana: jeśli Einstein ma rację i E = mc2, to skąd Masa bierze swoją energię?

widownia gapiów w 1934 roku. Konsekwencje zastosowania teorii względności do właściwych układów wymagają, aby, jeśli wymagamy zachowania energii, E = mc^2 musi być ważne. Obraz domeny publicznej

ze wszystkich równań, których używamy do opisania wszechświata, być może najbardziej znany, E = mc2, jest również najgłębszy. Po raz pierwszy odkryty przez Einsteina ponad 100 lat temu, uczy nas wielu ważnych rzeczy. Możemy przekształcić masę w czystą energię, na przykład poprzez rozszczepienie jądrowe, fuzję jądrową lub anihilację materii-antymaterii. Możemy tworzyć cząstki (i antycząstki) z niczego więcej niż czystej energii. I, być może najciekawsze, mówi nam, że każdy obiekt o masie, bez względu na to, jak bardzo go ochłodzimy, spowolnimy lub odizolujemy od wszystkiego innego, zawsze będzie miał w sobie Ilość nieodłącznej energii, której nigdy nie pozbędziemy się. Ale skąd bierze się ta energia? To właśnie chce wiedzieć Rene Berger, pytając:

moje pytanie brzmi, w równaniu E = mc2, skąd bierze się energia w „m”?

zagłębimy się w materię na najmniejszych skalach, aby się dowiedzieć.

z prawdopodobnie mniejszymi leżącymi wewnątrz tego, co znane. Wraz z pojawieniem się LHC, możemy teraz ograniczyć minimalny rozmiar kwarków i elektronów do 10^-19 metrów, ale nie wiemy, jak daleko one naprawdę sięgają i czy są to cząstki punktowe, skończone, czy właściwie złożone. Fermilab

pierwszą rzeczą, którą musimy zrobić, to zrozumieć równanie E = mc2, a to oznacza rozbicie każdego z warunków wewnątrz niego.

1. e oznacza energię: w tym przypadku całkowita ilość energii zawartej w cząsteczce (lub zestawie cząstek), na którą patrzymy.
2. M oznacza masę: całkowita masa spoczynkowa cząstki (cząstek), którą rozważamy, gdzie „masa spoczynkowa” oznacza masę cząstki, która nie jest w ruchu i nie jest związana z żadnymi innymi cząstkami za pomocą znanych sił (grawitacji, sił jądrowych lub siły elektromagnetycznej).
3. c2 to prędkość światła do kwadratu: w tym przypadku tylko Współczynnik konwersji, który mówi nam, jak zamienić masę (którą mierzymy w kilogramach) na energię (którą mierzymy w dżulach).

powód, dla którego możemy uzyskać tak dużo energii z reakcji jądrowej pochodzi bezpośrednio z tego równania, E = mc2.

Atol Enewetak. Test był częścią operacji Ivy. Mike był pierwszą testowaną bombą wodorową. Uwolnienie takiej ilości energii odpowiada około 500 gramom materii przekształconej w czystą energię: zdumiewająco duża eksplozja dla tak niewielkiej ilości masy. Reakcje jądrowe obejmujące rozszczepienie lub fuzję (lub oba, jak w przypadku Ivy Mike) mogą produkować niezwykle niebezpieczne, długotrwałe odpady radioaktywne. National Nuclear Security Administration /Nevada Site Office

nawet gdybyśmy zamienili tylko jeden kilogram (1 kg) masy na energię, fakt, że c2 oznacza, że otrzymalibyśmy równowartość 21.5 Megaton trotylu energii z tej konwersji. To wyjaśnia, dlaczego słońce emituje tyle energii; dlaczego reaktory jądrowe są tak wydajne; dlaczego marzenie o kontrolowanej fuzji jądrowej jest „świętym graalem” energii; i dlaczego bomby jądrowe są tak potężne i tak niebezpieczne.

ale jest też lepsza strona E = mc2. Oznacza to, że istnieje forma energii, której nie można odebrać cząstce, bez względu na to, co z nią zrobisz. Tak długo, jak ona istnieje, ta forma energii zawsze pozostanie z nią. To fascynujące z wielu powodów, ale być może najbardziej interesujące jest to, że wszystkie inne formy energii naprawdę można usunąć.

Wszechświat określa, kiedy i w jakich warunkach można go stworzyć, a także opisuje, w jaki sposób zakrzywia czasoprzestrzeń w ogólnej teorii względności. Właściwości cząstek, pól i czasoprzestrzeni są wymagane do opisania wszechświata, w którym żyjemy. Fig. 15-04A od universe-review.ca

na przykład, cząstka w ruchu ma energię kinetyczną: energię związaną z jej ruchem przez wszechświat. Kiedy szybko poruszający się, masywny obiekt zderza się z innym obiektem, w wyniku zderzenia przekazuje mu zarówno energię, jak i pęd, niezależnie od tego, co jeszcze się wydarzy. Ta forma energii istnieje na spoczynkowej energii masy cząstki; jest to forma energii nieodłącznej ruchowi cząstki.

ale jest to forma energii, którą można usunąć bez zmiany natury samej cząstki. Po prostu zwiększając się tak, że poruszasz się z taką samą prędkością (wielkością i kierunkiem) jak obserwowana cząstka, możesz zmniejszyć całkowitą energię tej cząstki, ale tylko do pewnego minimum. Nawet jeśli usuniesz całą jego energię kinetyczną, jego energia masy spoczynkowej, część zdefiniowana przez E = mc2, pozostanie niezmieniona.

słońce, które następnie przemieszcza się przez galaktykę w innym kierunku ruchu. Zauważ, że wszystkie planety są w tej samej płaszczyźnie i nie ciągną się za słońcem ani nie tworzą stypy jakiegokolwiek rodzaju. Gdybyśmy mieli poruszać się względem słońca, wydaje się, że ma ono dużo energii kinetycznej; gdybyśmy poruszali się z taką samą prędkością jak słońce w tym samym kierunku, jednak jego energia kinetyczna spadłaby do zera. Rhys Taylor

Możesz pomyśleć, że oznacza to, że możesz usunąć każdą formę energii inną niż energia masy spoczynkowej, wtedy dla dowolnego układu w ogóle. Wszystkie inne formy energii, o których można myśleć-energia potencjalna, energia wiązania, energia chemiczna itp. – są oddzielone od masy spoczynkowej, to prawda. W odpowiednich warunkach te formy energii mogą zostać zabrane, pozostawiając tylko nagie, nieruchome, odizolowane cząstki. W tym momencie jedyną energią, jaką mają, jest energia masy spoczynkowej: E = mc2 .

skąd się bierze masa spoczynkowa, M W E = mc2 ? Możesz szybko odpowiedzieć „Higgs”, co jest częściowo poprawne. We wczesnych stadiach wszechświata, mniej niż 1 sekunda po Wielkim Wybuchu, symetria elektrodynamiczna, która zunifikowała siłę elektromagnetyczną ze słabą siłą jądrową, została przywrócona, zachowując się jak jedna siła. Kiedy Wszechświat rozszerzył się i wystarczająco ochłodził, symetria ta pękła, a konsekwencje dla cząstek Modelu Standardowego były ogromne.

top), wszystko jest symetryczne i nie ma preferowanego stanu. Kiedy symetria jest złamana przy niższych energiach (niebieska kula, dół), ta sama swoboda, ze wszystkich kierunków jest taka sama, nie jest już obecna. W przypadku łamania symetrii elektrostatycznej powoduje to, że pole Higgsa sparowuje się z cząstkami Modelu Standardowego, nadając im masę. Phys. Dzisiaj 66, 12, 28 (2013)

dla jednego wiele cząstek — w tym wszystkie kwarki i naładowane leptony — uzyskało niezerową masę spoczynkową. Ze względu na sprzężenie każdego z tych kwantów energii z polem Higgsa, polem kwantowym, które przenika Wszechświat, wiele cząstek ma teraz niezerową masę spoczynkową. Jest to częściowa odpowiedź na pytanie, skąd bierze się energia w m dla tych cząstek: od ich sprzężenia z podstawowym polem kwantowym.

ale nie zawsze jest to takie proste. Jeśli przyjmiesz masę elektronu i spróbujesz wyjaśnić ją na podstawie sprzężenia elektronu z Higgsem, będziesz w 100% udany: wkład Higgsa w masę elektronu daje dokładnie masę elektronu. Ale jeśli spróbujecie wyjaśnić tym masę protonu, sumując masy pozostałych kwarków i gluonów, które ją tworzą, będzie wam brakować. W zasadzie to za krótko.: zamiast otrzymać rzeczywistą wartość 938 MeV/C2, otrzymasz tylko ~1% drogi tam.

Model Standardowy (w sposób, który wyświetla kluczowe relacje i wzorce pełniej i mniej myląco, niż w bardziej znanym obrazie opartym na kwadracie 4×4 cząstek). W szczególności ten diagram przedstawia wszystkie cząstki w modelu standardowym (w tym ich nazwy liter, masy, spiny, ręczność, ładunki i interakcje z bozonami mierniczymi: tj. z silnymi i elektrycznymi siłami). Przedstawia również rolę bozonu Higgsa i strukturę łamania symetrii elektrodynamicznej, wskazując, w jaki sposób wartość oczekiwana próżni Higgsa łamie symetrię elektrodynamiczną i jak w konsekwencji zmieniają się właściwości pozostałych cząstek. Latham Boyle i Mardus z Wikimedia Commons

ponieważ protony (i inne, pokrewne jądra atomowe) są zbudowane z kwarków i gluonów i składają się na większość masy normalnej (znanej) materii we wszechświecie, musi istnieć inny wkład. W przypadku protonów winowajcą jest silna siła jądrowa. W przeciwieństwie do sił grawitacyjnych i elektromagnetycznych, silna siła jądrowa — oparta na chromodynamice kwantowej i własności „koloru” kwarków i gluonów — staje się silniejsza im dalej znajdują się dwa kwarki.

składa się z trzech kwarków na sztukę, każdy nukleon w jądrze atomowym jest utrzymywany razem przez gluony wymieniane między tymi kwarkami: siłę podobną do sprężyny, która staje się silniejsza im dalej od siebie znajdują się kwarki. Powodem, dla którego protony mają skończoną wielkość, mimo że są zbudowane z cząstek przypominających punkt, jest siła tej siły oraz ładunki i sprzężenia cząstek wewnątrz jądra atomowego.

istnienie 'ładunku koloru’ i wymiana gluonów, jest odpowiedzialna za siłę, która utrzymuje jądra atomowe razem. Gluon musi składać się z kombinacji kolor / anticolor, aby silna siła zachowywała się tak, jak musi i robi. Użytkownik Wikimedia Commons Qashqaiilove

gdyby kwarki mogły zostać uwolnione, większość masy we wszechświecie zamieniłaby się z powrotem na energię; E = mc2 jest reakcją odwracalną. Przy bardzo wysokich energiach, takich jak we wczesnym Wszechświecie lub w ciężkich zderzaczach jonów, takich jak RHIC lub w LHC, warunki te zostały osiągnięte, tworząc plazmę kwarkowo-gluonową. Gdy jednak temperatury, energie i gęstości spadną do wystarczająco niskich wartości, kwarki stają się ponownie ograniczone i stąd pochodzi większość normalnej masy materii.

innymi słowy, o wiele mniej korzystnie energetycznie jest mieć trzy wolne kwarki — nawet z niezerową masą spoczynkową nadaną im przez Higgsa-niż mieć te kwarki połączone razem w cząstki złożone, takie jak protony i neutrony. Większość energii (E) odpowiadającej za znane masy (m) w naszym wszechświecie pochodzi od siły silnej i energii wiązania wprowadzonej przez zasady kwantowe rządzące cząstkami o ładunku barwnym.

jego spin, ale tak samo gluony, kwarki morskie i antykwarki, a także orbitalny moment pędu. Odpychanie elektrostatyczne i przyciągająca Siła jądrowa, w tandemie, są tym, co nadaje protonowi jego wielkość, a właściwości mieszania kwarków są wymagane do wyjaśnienia zestawu cząstek wolnych i złożonych w naszym wszechświecie. Suma różnych form energii wiązania, wraz z masą spoczynkową kwarków, daje masę protonowi i wszystkim jądrom atomowym. APS / Alan Stonebraker

to, czego wszyscy nauczyliśmy się dawno temu, nadal jest prawdą: energia zawsze może być przekształcona z jednej formy do drugiej. Ale dzieje się to tylko kosztem: kosztem pompowania wystarczającej ilości energii do systemu w celu wyeliminowania tej dodatkowej formy energii. Dla wcześniejszego przykładu energii kinetycznej oznaczało to zwiększenie prędkości (jako obserwator) lub prędkości cząstki (względem obserwatora), dopóki nie będą się zgadzać, z których oba wymagają wprowadzenia energii.

dla innych form energii może być bardziej złożona. Atomy neutralne to ~0.0001% mniej masywne niż zjonizowane Atomy, ponieważ Wiązanie elektromagnetyczne elektronów z jądrami atomowymi wydziela około ~10 eV energii na sztukę. Ważną rolę odgrywa również grawitacyjna energia potencjalna, wynikająca z deformacji przestrzeni spowodowanej masą. Nawet planeta Ziemia jako całość jest o 0,00000004% mniej masywna niż atomy, które ją tworzą, ponieważ grawitacyjna energia potencjalna naszego świata wynosi do 2 × 1032 J energii.

siatka, umieszczenie masy w dół powoduje, że to, co byłoby „prostymi” liniami, zamiast tego staje się zakrzywione o określoną ilość. Krzywizna przestrzeni spowodowana oddziaływaniem grawitacyjnym Ziemi jest jedną z wizualizacji grawitacyjnej energii potencjalnej, która może być ogromna dla Systemów tak masywnych i zwartych jak nasza planeta. Christopher Vitale z Networkologies i Pratt Institute

jeśli chodzi o najsłynniejsze równanie Einsteina, E = mc2 mówi nam, że wszystko z masą ma podstawową ilość energii, która nie może być usunięta w żaden sposób. Tylko poprzez całkowite zniszczenie obiektu — albo poprzez zderzenie go z antymaterią (powodując uwolnienie energii), albo pompowanie do niego wystarczającej ilości energii (tylko dla cząstek kompozytowych, pozostawiając nienaruszone jego podstawowe składniki) — możemy przekształcić tę masę z powrotem w energię jakiejś formy.

dla podstawowych cząstek Modelu Standardowego pole Higgsa i jego sprzężenie z każdą z tych cząstek dostarcza energii składającej się na masę, m. Ale dla większości znanych mas we wszechświecie, protonów, neutronów i innych jąder atomowych, to energia wiązania powstaje z silnej siły, która daje nam większość naszej masy, m. dla ciemnej materii? Nikt jeszcze nie wie, ale może to być Higgs, jakaś forma wiązania energii, albo coś zupełnie nowego. Niezależnie jednak od przyczyny, coś dostarcza energii dla tej niewidzialnej masy. E = mc2 na pewno pozostanie prawdą.

Wyślij swoje pytania do startswithabang w gmail dot com!

Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.