audiência de espectadores, em 1934. As consequências da aplicação da relatividade aos sistemas certos exigem que, se exigimos conservação de energia, e = mc^2 seja válido. Imagem de domínio público
de todas as equações que usamos para descrever o universo, talvez a mais famosa, E = mc2, é também a mais profunda. Descoberto pela primeira vez por Einstein há mais de 100 anos, ele nos ensina uma série de coisas importantes. Podemos transformar a massa em energia pura, por exemplo através da fissão nuclear, fusão nuclear ou aniquilação de matéria-antimatéria. Podemos criar partículas (e antipartículas) de nada mais do que energia pura. E, talvez o mais interessante, ele nos diz que qualquer objeto com massa, não importa o quanto nós legal-lo, retardá-lo, ou isolar de tudo o mais, sempre vai ter uma quantidade de energia inerente a ele que nós nunca pode se livrar. Mas de onde vem essa energia? Isso é o que Rene Berger quer saber, perguntando:
minha pergunta é, na equação E = mc2, de onde vem a energia no “m”?
vamos mergulhar dentro da matéria nas menores escamas para descobrir.
com possivelmente menores de idade deitado dentro do que é conhecido. Com o advento do LHC, nós agora podemos restringir o tamanho mínimo de quarks e elétrons a 10^-19 metros, mas nós não sabemos até onde eles realmente vão, e se eles são pontuais, finitos em tamanho, ou na verdade partículas compostas. Fermilab
a primeira coisa que precisamos fazer é entender a equação E = mc2, e isso significa quebrar cada um dos Termos dentro dela.
- e significa energia: neste caso, a quantidade total de energia contida na partícula (ou conjunto de partículas) que estamos olhando.
- M representa massa: a massa total de repouso da(s) partícula (s) que estamos considerando, onde “massa de repouso” significa a massa da partícula não em movimento, e não ligada a quaisquer outras partículas através de qualquer uma das forças conhecidas (gravitação, as forças nucleares, ou a força eletromagnética).
- c2 é a velocidade da luz ao quadrado: neste caso, apenas um fator de conversão, que nos diz Como Converter Massa (que medimos em quilogramas) em energia (que medimos em joules).
A razão pela qual podemos obter tanta energia de uma reação nuclear vem diretamente desta equação, E = mc2.
Enewetak Atol. O teste fazia parte da operação Ivy. O Mike foi a primeira bomba de hidrogénio testada. Uma liberação dessa energia corresponde a aproximadamente 500 gramas de matéria sendo convertida em energia pura: uma explosão surpreendentemente grande para uma quantidade tão pequena de massa. As reacções nucleares que envolvem fissão ou fusão (ou ambas, como no caso da Ivy Mike) podem produzir resíduos radioactivos extremamente perigosos e a longo prazo. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office
mesmo se fôssemos converter apenas um quilograma (1 kg) de massa em energia, o fato de que c2 necessariamente significa que teríamos o equivalente a 21.5 megatons de TNT de energia dessa conversão. Isso explica por que o sol produz tanta energia; por que os reatores nucleares são tão eficientes; por que o sonho de fusão nuclear controlada é o “Santo Graal” da energia; e por que as bombas nucleares são tão poderosas e tão perigosas.
mas há um lado mais feliz para E = mc2, também. Isso significa que existe uma forma de energia que não pode ser retirada de uma partícula, não importa o que você faça com ela. Enquanto existir, esta forma de energia permanecerá sempre com ela. Isso é fascinante por várias razões, mas talvez a mais interessante seja que todas as outras formas de energia realmente podem ser removidas.
O Universo determina quando e sob que condições eles podem ser criados, e também descreve como eles irão curvar o espaço-tempo na relatividade geral. Todas as propriedades de partículas, campos e espaço-tempo são necessárias para descrever o Universo que habitamos. Figo. 15-04a de universe-review.ca por exemplo, uma partícula em movimento tem energia cinética: a energia associada ao seu movimento através do universo. Quando um objeto em movimento rápido colide com outro objeto, ele lhe dará energia e momentum como resultado da colisão, independentemente do que mais ocorra. Esta forma de energia existe sobre o resto da energia de massa da partícula; é uma forma de energia intrínseca ao movimento da partícula.mas essa é uma forma de energia que pode ser removida sem mudar a natureza da própria partícula. Simplesmente impulsionando a si mesmo para que você se mova com a mesma velocidade exata (magnitude e direção) que a partícula que você está assistindo, você pode diminuir a energia total dessa partícula, mas apenas para um certo mínimo. Mesmo que você remova toda a sua energia cinética, a sua energia de massa de repouso, a parte definida por E = mc2, continuará inalterada.
sol, que então se move através da galáxia em uma direção diferente de movimento. Note que os planetas estão todos no mesmo plano, e não estão arrastando para trás do sol ou formando um rastro de qualquer tipo. Se nós nos movêssemos em relação ao sol, pareceria ter um monte de energia cinética; se nós movêssemos com a mesma velocidade que ele na mesma direção, entretanto, sua energia cinética cairia para zero. Rhys Taylor
você pode pensar que isso significa que você pode remover todas as formas de energia que não a energia de massa de repouso, então, para qualquer sistema em tudo. Todas as outras formas de energia que você pode pensar-energia potencial, energia de ligação, energia química, etc. – são separados da Missa de descanso, é verdade. Sob as condições certas, estas formas de energia podem ser retiradas, deixando apenas para trás as partículas nuas e isoladas. Nesse ponto, a única energia que eles teriam é a sua energia de massa de descanso: E = mc2.então de onde vem a massa de repouso, o m Em E = mc2? Você pode ser rápido a responder “o Higgs”, o que é parcialmente correto. Nos estágios iniciais do universo, menos de um segundo após o Big Bang, a simetria eletrofraca que unificou a força eletromagnética com a força nuclear fraca foi restaurada, comportando-se como uma única força. Quando o universo se expandiu e arrefeceu o suficiente, essa simetria quebrou, e as consequências para as partículas do modelo padrão foram tremendas.
top), tudo é simétrico, e não há estado preferido. Quando a simetria é quebrada em energias mais baixas (bola azul, fundo), a mesma liberdade, de todas as direções serem as mesmas, não está mais presente. No caso de quebra de simetria eletrofraca, isso faz com que o campo de Higgs se conecte às partículas do modelo padrão, dando-lhes massa. Phys. Hoje 66, 12, 28 (2013)
para um, muitas das partículas — incluindo todos os quarks e leptões carregados-adquiriram uma massa de repouso não-zero. Devido ao acoplamento de cada um destes quanta de energia ao campo de Higgs, um campo quântico que permeia o universo, muitas partículas agora têm uma massa de repouso não-zero. Esta é uma resposta parcial de onde vem a energia no m para estas partículas: do acoplamento a um campo quântico fundamental.
mas nem sempre é tão simples quanto isso. Se você pegar a massa de um elétron e tentar explicá-lo com base no acoplamento do elétron ao Higgs, você será 100% bem sucedido: a contribuição do Higgs para a massa do elétron lhe dá exatamente a massa do elétron. Mas se você tentar explicar a massa do próton com isso, somando as outras massas dos quarks e glúons que o compõem, você vai ficar curto. Muito curto, na verdade. : em vez de obter o valor real de 938 MeV/c2, você terá apenas ~1% do caminho até lá.
modelo padrão (de uma forma que mostra as relações e padrões chave mais completamente, e menos enganador, do que na imagem mais familiar com base em um 4×4 quadrado de partículas). Em particular, este diagrama retrata todas as partículas do modelo padrão (incluindo seus nomes de letras, massas, giros, handedness, cargas e interações com os bósons gauge: i.e., com as forças fortes e eletrofracas). Ele também descreve o papel do bosão de Higgs, e a estrutura da quebra de simetria eletrofraca, indicando como o valor esperado do vácuo de Higgs quebra a simetria eletrofraca, e como as propriedades das partículas restantes mudam como consequência. Latham Boyle e Mardus da Wikimedia Commons
Uma vez que protões (e outros núcleos atômicos relacionados) são todos feitos de quarks e glúons, e compõe a maioria da massa da matéria normal (conhecida) no universo, deve haver outro contribuinte. No caso dos protões, o culpado é a força nuclear forte. Ao contrário das forças gravitacionais e eletromagnéticas, a força nuclear forte — baseada na cromodinâmica quântica e na propriedade “cor” dos quarks e glúons — na verdade fica mais forte quanto mais longe dois quarks ficam.
composto por três quarks cada, cada núcleo de um núcleo atômico é mantido unido por glúons trocados entre estes quarks: uma força de mola que se torna mais forte quanto mais distante os quarks ficam. A razão pela qual os prótons têm um tamanho finito, apesar de serem feitos de partículas tipo ponto, é por causa da força dessa força e das cargas e acoplamentos das partículas dentro do núcleo atômico.
a existência de ‘carga de cor’ e a troca de glúons, é responsável pela força que mantém os núcleos atômicos juntos. Um gluon deve consistir de uma combinação cor/anticolor, a fim de que a força forte se comporte como deve, e faz. Qashqaiilove
se os quarks pudessem de alguma forma ser libertados, a maior parte da massa do Universo seria convertida de volta em energia; E = mc2 é uma reação reversível. Em energias ultra-altas, tais como no universo primitivo ou em colidores de íons pesados como RHIC ou no LHC, essas condições foram alcançadas, criando um plasma quark-gluon. Uma vez que as temperaturas, energias e densidades caem para valores baixos o suficiente, no entanto, os quarks tornam-se re-confinados, e é daí que vem a maioria da massa da matéria normal.em outras palavras, é muito menos energeticamente favorável ter três quarks livres-mesmo com o repouso não-zero massivo dado a eles pelos Higgs — do que ter esses quarks Unidos em partículas compostas como prótons e nêutrons. A maior parte da energia (E) responsável pelas massas conhecidas (m) em nosso universo vem da força forte, e da energia vinculativa introduzida pelas regras quânticas que regem as partículas com uma carga de cor.
sua rotação, mas também os glúons, quarks marinhos e antiquarks, e Momento angular orbital também. A repulsão eletrostática e a força nuclear forte atraente, em conjunto, são o que dão ao próton seu tamanho, e as propriedades da mistura de quarks são necessárias para explicar o conjunto de partículas livres e compostas em nosso universo. A soma das diferentes formas de energia de ligação, juntamente com a massa de repouso dos quarks, é o que dá massa ao próton e a todos os núcleos atômicos. APS / Alan Stonebraker
o que todos aprendemos há muito tempo ainda é verdade: a energia pode sempre ser convertida de uma forma para outra. Mas isso ocorre apenas a um custo: o custo de bombear energia suficiente em um sistema a fim de eliminar essa forma adicional de energia. Para o exemplo de energia cinética anterior, isso significava aumentar a sua velocidade (como o observador) ou a velocidade da partícula (em relação a você, o observador) até que eles coincidam, ambos os quais requerem a entrada de energia.para outras formas de energia, pode ser mais complexo. Átomos neutros são ~0.0001% menos massivo que os átomos ionizados, como a ligação eletromagnética de elétrons aos núcleos atômicos dá cerca de ~10 eV de energia cada. A energia potencial gravitacional, resultante da deformação do espaço devido a uma massa, também desempenha um papel. Mesmo o planeta Terra, como um todo, é cerca de 0,00000004% menos massivo do que os átomos que o compõem, como a energia potencial gravitacional de nosso mundo totaliza até 2 × 1032 J de energia.
grid, colocar uma massa para baixo faz com que o que teria sido linhas ‘rectas’ para se tornar curvado por uma quantidade específica. A curvatura do espaço devido aos efeitos gravitacionais da Terra é uma visualização da energia potencial gravitacional, que pode ser enorme para sistemas tão massivos e compactos como o nosso planeta. Christopher Vitale, do Networkologies and the Pratt Institute
quando se trata da equação mais famosa de Einstein, E = mc2 nos diz que tudo com massa tem uma quantidade fundamental de energia inerente a ela que não pode ser removida de forma alguma. Somente destruindo o objeto inteiramente — ou colidindo — o com antimatéria (causando a liberação de energia) ou bombeando energia suficiente para ele (apenas para partículas compostas, deixando seus constituintes fundamentais intactos) – podemos converter essa massa de volta em energia de alguma forma.
para as partículas fundamentais do modelo padrão, o campo de Higgs e seu Acoplamento a cada uma dessas partículas fornece a energia que compõe a massa, M. Mas para a maioria da massa conhecida no universo, prótons, nêutrons e outros núcleos atômicos, é a energia de ligação que surge da força forte que nos dá a maior parte de nossa massa, m. para a matéria escura? Ainda ninguém sabe, mas pode ser o Higgs, alguma forma de energia de ligação, ou algo completamente novo. Seja qual for a causa, no entanto, algo está fornecendo a energia para esta massa invisível. E = mc2 é certo que continuará a ser verdade.
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