Fråga Ethan: om Einstein har rätt och E = mc2, Var får massan sin energi från?

publik av åskådare, 1934. Konsekvenserna av att tillämpa relativitet på rätt system kräver att E = mc^2 måste vara giltigt om vi kräver energibesparing. Public domain image

av alla ekvationer som vi använder för att beskriva universum, kanske den mest kända, E = mc2, är också den djupaste. Först upptäckt av Einstein för mer än 100 år sedan lär det oss ett antal viktiga saker. Vi kan omvandla massa till ren energi, till exempel genom kärnklyvning, kärnfusion eller materie-antimateria-förintelse. Vi kan skapa partiklar (och antipartiklar) ur inget annat än ren energi. Och kanske mest intressant berättar det för oss att alla föremål med massa, oavsett hur mycket vi kyler det, saktar ner det eller isolerar det från allt annat, alltid kommer att ha en mängd inneboende energi till det som vi aldrig kan bli av med. Men var kommer den energin ifrån? Det är vad Rene Berger vill veta och frågar:

min fråga är, i ekvationen E = mc2, var kommer energin i” m ” ifrån?

låt oss dyka inuti materia på de minsta skalorna för att ta reda på det.

med eventuellt mindre som ligger inuti vad som är känt. Med tillkomsten av LHC kan vi nu begränsa minsta storlek på kvarkar och elektroner till 10^-19 meter, men vi vet inte hur långt ner de verkligen går och om de är punktliknande, ändliga i storlek eller faktiskt sammansatta partiklar. Fermilab

det första vi behöver göra är att förstå ekvationen E = mc2, och det betyder att bryta ner var och en av termerna inuti den.

1. E står för energi: i det här fallet är den totala mängden energi som finns i partikeln (eller uppsättningen partiklar) vi tittar på.
2. m står för massa: den totala vilmassan för partiklarna vi överväger, där ”vilmassa” betyder partikelns massa som inte är i rörelse och inte bunden till några andra partiklar genom någon av de kända krafterna (gravitation, kärnkrafterna eller den elektromagnetiska kraften).
3. c2 är ljusets hastighet kvadrat: i det här fallet bara en omvandlingsfaktor, som berättar hur vi konverterar massa (som vi mäter i kilo) till energi (som vi mäter i joule).

anledningen till att vi kan få så mycket energi ur en kärnreaktion kommer direkt från denna ekvation, E = mc2.

Enewetak Atoll. Testet var en del av operationen Ivy. Mike var den första vätebomben som någonsin testats. En frisättning av denna mycket energi motsvarar ungefär 500 gram materia som omvandlas till ren energi: en förvånansvärt stor explosion för en så liten mängd massa. Kärnreaktioner som involverar fission eller fusion (eller båda, som i fallet med Ivy Mike) kan producera oerhört farligt, långsiktigt radioaktivt avfall. National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office

Även om vi skulle konvertera bara ett enda kilo (1 kg) massa till energi, betyder det faktum att c2 nödvändigtvis att vi skulle få motsvarande 21.5 Megaton av TNT av energi ur den omvandlingen. Detta förklarar varför solen matar ut så mycket energi; varför kärnreaktorer är så effektiva; varför drömmen om kontrollerad kärnfusion är den ”heliga Graalen” av energi; och varför kärnbomber är både så kraftfulla och så farliga.

men det finns också en lyckligare sida till E = mc2. Det betyder att det finns en form av energi som inte kan tas bort från en partikel oavsett vad du gör med den. Så länge den finns kvar, kommer denna form av energi alltid att förbli med den. Det är fascinerande av flera skäl, men kanske det mest intressanta är att alla andra former av energi verkligen kan tas bort.

universum bestämmer när och under vilka förhållanden de kan skapas, och beskriver också hur de kommer att kurva rymdtid i allmän relativitet. Egenskaperna hos partiklar, fält och rymdtid är alla nödvändiga för att beskriva universum vi bor i. Fig. 15-04a från universe-review.ca

till exempel har en partikel i rörelse kinetisk energi: energin associerad med dess rörelse genom universum. När ett snabbt rörligt, massivt objekt kolliderar med ett annat objekt, kommer det att ge både energi och fart till det som ett resultat av kollisionen, oavsett vad som händer. Denna form av energi finns ovanpå partikelns restmassenergi; det är en form av energi som är inneboende i partikelns rörelse.

men det är en form av energi som kan avlägsnas utan att ändra partikelns natur. Helt enkelt genom att öka dig själv så att du rör dig med samma exakta hastighet (storlek och riktning) som partikeln du tittar på, kan du minska den totala energin hos den partikeln, men bara ner till ett visst minimum. Även om du tar bort all sin kinetiska energi, kommer dess restmassenergi, den del som definieras av E = mc2, att fortsätta att förbli oförändrad.

Sol, som sedan rör sig genom galaxen i en annan rörelseriktning. Observera att planeterna är alla i samma plan, och inte dra bakom solen eller bildar en vakna av något slag. Om vi skulle röra oss relativt solen verkar det ha mycket kinetisk energi; om vi rörde oss med samma hastighet som den i samma riktning skulle dess kinetiska energi dock sjunka till noll. Rhys Taylor

Du kanske tror att det här betyder att du kan ta bort alla former av energi än vila massenergi, då för alla system alls. Alla andra former av energi du kan tänka dig — potentiell energi, bindande energi, kemisk energi etc. – de är skilda från resten, det är sant. Under de rätta förhållandena kan dessa former av energi tas bort och lämnar bara de nakna, orörliga, isolerade partiklarna bakom sig. Vid den tiden är den enda energi de skulle ha sin vilomassa energi: E = mc2.

så var kommer vilmassa, m i E = mc2, från? Du kan vara snabb att svara på ”Higgs”, vilket är delvis korrekt. Tillbaka i de tidiga stadierna i universum, mindre än 1 sekund efter Big Bang, återställdes den elektrovågsymmetri som förenade den elektromagnetiska kraften med den svaga kärnkraften och uppträdde som en enda kraft. När universum expanderade och kyldes tillräckligt, bröt den symmetrin, och konsekvenserna för partiklarna i Standardmodellen var enorma.

top), allt är symmetriskt, och det finns inget föredraget tillstånd. När symmetrin bryts vid lägre energier (blå boll, botten) är samma frihet, i alla riktningar är densamma, inte längre närvarande. I fallet med elektrosvag symmetribrytning får detta Higgs-fältet att koppla till partiklarna i Standardmodellen, vilket ger dem massa. Phys. Idag 66, 12, 28 (2013)

för en, många av partiklarna — inklusive alla kvarkar och laddade leptoner — förvärvade en icke-noll vilomassa. På grund av kopplingen av var och en av dessa kvanta energi till Higgs-fältet, ett kvantfält som genomtränger universum, har många partiklar nu en icke-noll vilomassa. Detta är ett partiellt svar på var energin i m för dessa partiklar kommer ifrån: från deras koppling till ett grundläggande kvantfält.

men det är inte alltid så enkelt som det. Om du tar massan av en elektron och försöker förklara den baserat på elektronens koppling till Higgs, blir du 100% framgångsrik: Higgs bidrag till elektronens massa ger dig exakt elektronens massa. Men om du försöker förklara protonens massa med detta, genom att lägga upp resten av kvarkarna och gluonerna som utgör det, kommer du att komma kort. Långt kort, faktiskt: istället för att få det faktiska värdet på 938 MeV/c2 får du bara ~1% av vägen dit.

standardmodell (på ett sätt som visar nyckelförhållandena och mönstren mer fullständigt, och mindre vilseledande, än i den mer bekanta bilden baserad på en 4 ml 4 kvadrat partiklar). I synnerhet visar detta diagram alla partiklar i Standardmodellen (inklusive deras bokstavsnamn, massor, snurr, handedness, laddningar och interaktioner med gauge bosonerna: dvs med de starka och electroweak-krafterna). Det visar också Higgs bosonens roll och strukturen för elektrovågsymmetribrytning, vilket indikerar hur Higgs vakuumförväntningsvärdet bryter elektrovågsymmetri och hur egenskaperna hos de återstående partiklarna förändras som en följd. Latham Boyle och Mardus av Wikimedia Commons

eftersom protoner (och andra relaterade atomkärnor) alla är gjorda av kvarkar och gluoner och utgör majoriteten av massan av den normala (kända) materien i universum, måste det finnas en annan bidragsgivare. När det gäller protoner är den skyldige den starka kärnkraften. Till skillnad från gravitationella och elektromagnetiska krafter blir den starka kärnkraften — baserad på kvantkromodynamik och ”färg” — egenskapen hos kvarkar och gluoner-faktiskt starkare ju längre bort två kvarkar får.

består av tre kvarkar styck, varje nukleon i en atomkärna hålls samman av gluoner som utbyts mellan dessa kvarkar: en fjäderliknande kraft som blir starkare ju längre ifrån varandra kvarkarna får. Anledningen till att protoner har en ändlig storlek, trots att de är gjorda av punktliknande partiklar, är på grund av styrkan hos denna kraft och laddningarna och kopplingarna hos partiklarna inuti atomkärnan.

förekomsten av’ färgladdning ’ och utbytet av gluoner är ansvarig för kraften som håller atomkärnor tillsammans. En gluon måste bestå av en färg/antikolorkombination för att den starka kraften ska bete sig som den måste och gör. Wikimedia Commons-användare Qashqaiilove

om kvarkarna på något sätt kunde befrias skulle det mesta av massan i universum omvandlas tillbaka till energi; E = mc2 är en reversibel reaktion. Vid ultrahöga energier, som i det mycket tidiga universum eller i tunga jonkollider som RHIC eller vid LHC, har dessa förhållanden uppnåtts, vilket skapar en kvark-gluonplasma. När temperaturerna, energierna och densiteterna sjunker till tillräckligt låga värden, blir kvarkarna återbegränsade, och det är där majoriteten av den normala materiens massa kommer ifrån.

med andra ord är det mycket mindre energiskt gynnsamt att ha tre fria kvarkar — även med den icke-noll vila massiva som ges till dem av Higgs — än det är att ha dessa kvarkar bundna ihop i kompositpartiklar som protoner och neutroner. Majoriteten av energin (E) som är ansvarig för de kända massorna (m) i vårt universum kommer från den starka kraften och bindningsenergin som införs av kvantreglerna som styr partiklar med en färgladdning.

dess spinn, men det gör gluonerna, havskvarkarna och antikvarkarna och orbital vinkelmomentet också. Den elektrostatiska avstötningen och den attraktiva starka kärnkraften, i tandem, är det som ger protonen dess storlek, och egenskaperna hos kvarkblandning krävs för att förklara sviten av fria och sammansatta partiklar i vårt universum. Summan av de olika formerna av bindningsenergi, tillsammans med Kvarkens vilomassa, är det som ger massan till protonen och alla atomkärnor. ApS / Alan Stonebraker

vad vi alla lärde oss för länge sedan är fortfarande sant: energi kan alltid omvandlas från en form till en annan. Men detta sker endast till en kostnad: Kostnaden för att pumpa tillräckligt med energi i ett system för att eliminera den ytterligare formen av energi. För kinetisk energi exempel tidigare innebar det att öka antingen din hastighet (som observatör) eller partikelns hastighet (i förhållande till dig, observatören) tills de matchar, som båda kräver inmatning av energi.

För andra former av energi kan det vara mer komplext. Neutrala atomer är ~0.0001% mindre massiv än joniserade atomer, eftersom den elektromagnetiska bindningen av elektroner till atomkärnor avger cirka ~10 eV energi styck. Gravitationspotential energi, som härrör från deformation av rymden på grund av en massa, spelar också en roll. Till och med planeten jorden, som helhet, är cirka 0,00000004% mindre massiv än atomerna som utgör den, eftersom vår världs gravitationspotentialenergi uppgår till 2 1032 j 1032 j energi.

grid, sätta en massa ner orsakar vad som skulle ha varit ’raka’ linjer att istället bli böjda med en viss mängd. Rymdens krökning på grund av jordens gravitationseffekter är en visualisering av gravitationspotential energi, vilket kan vara enormt för system som är så massiva och kompakta som vår planet. Christopher Vitale of Networkologies och Pratt Institute

När det gäller Einsteins mest kända ekvation berättar E = mc2 att allt med massa har en grundläggande mängd energi som är inneboende i det som inte kan avlägsnas på något sätt. Endast genom att förstöra objektet helt — antingen genom att kollidera det med antimateria (orsakar utsläpp av energi) eller pumpa tillräckligt med energi i det (endast för kompositpartiklar, lämnar dess grundläggande beståndsdelar intakta) — kan vi omvandla den massan tillbaka till energi av någon form.

För de grundläggande partiklarna i Standardmodellen ger Higgs-fältet och dess koppling till var och en av dessa partiklar den energi som utgör massan, m. Men för majoriteten av den kända massan i universum, protoner, neutroner och andra atomkärnor är det bindningsenergin som härrör från den starka kraften som ger oss det mesta av vår massa, M. för mörk materia? Ingen vet ännu, men det kan vara Higgs, någon form av bindande energi eller något annat helt nytt. Oavsett orsaken ger dock något energi för denna osynliga massa. E = mc2 är säker på att förbli sant.

skicka in dina fråga Ethan frågor till startswithabang på gmail dot com!

Följ mig på Twitter. Kolla in min hemsida eller några av mina andra verk här.