E = mc²: Самое знаменитое уравнение Эйнштейна | by Сергей Базанов | Paradox Review
Это гораздо больше, чем взаимосвязь массы-энергии, это ключ к пониманию квантовой Вселенной.
В течение сотен лет существовал непреложный закон физики, который никогда не оспаривался: при любой реакции, происходящей во Вселенной, масса вещества сохранялась. Независимо от того, что с чем реагирует, масса исходных веществ и масса получившихся будет равна. Но, по законам специальной теории относительности, масса просто не может быть конечной сохраненной величиной, так как разные наблюдатели не соглашались бы с тем, что такое энергия системы. Вместо этого Эйнштейн смог получить закон, который мы используем сегодня, управляемый одним из самых простых, но самых мощных и изящных уравнений из всех существующих:
E = mc²
В самом известном уравнении Эйнштейна есть только три составляющих:
- E, или энергия, которая является полнотой одной части уравнения и представляет собой полную энергию системы.
- m или масса, которая связана с энергией по коэффициенту пересчета.
- и c², которая является скоростью света в квадрате: эквивалентный коэффициент, уравнивающий массу и энергию.
Это уравнение полностью меняет мир. Как выразился сам Эйнштейн:
Ядерный ракетный двигатель, готовится к испытаниям в 1967 году. Этот двигатель работает за счет преобразования массы в энергию. Изображение: ECF, NASA, 1967.Из специальной теории относительности следует, что масса и энергия — это одновременно разные проявления одного и того же — несколько необычная концепция для среднего ума.
Вот три самых важных по значимости вывода, которые следуют из этого простого уравнения:
- Даже массы в покое имеют присущую им энергию. Вы знаете обо всех типах энергий, включая механическую, химическую и электрическую энергию, а также кинетическую энергию. Это все энергии, присущие движущимся или реагирующим объектам, и эти формы энергии могут быть использованы для работы, такой как вращение двигателя, свет лампочки или измельчение зерна в муку. Но даже простая, обычная масса в покое имеет присущую ей энергию: огромное количество энергии. Это несет в себе потрясающий вывод: гравитация, которая существует между любыми двумя массами во Вселенной, также должна работать на основе энергии, которая эквивалентна массе через уравнение E=mc².
- Масса может быть преобразована в чистую энергию. Это второе значение уравнения, где E=mc² точно показывает, сколько энергии вы получаете от преобразования массы. На каждый 1 килограмм массы превращающейся в энергию, мы получим 9×10¹⁶ джоулей энергии, что эквивалентно 21 мегатонн в тротилловом эквиваленте. Когда происходит радиоактивный распад или ядерная реакцию деления или синтеза, начальная масса больше конечной массы — закон сохранения массы не работает. Но разница в количестве масс — это высвобожденная энергия! Это верно для всех ядерных реакций, от распада урана при взрыве атомной бомбы до ядерного синтеза на Солнце и аннигиляции антиматерии. Количество уменьшающейся массы становится энергией, которая рассчитывается из уравнения E=mc².
- Энергию можно использовать для того чтобы сделать массу из ничего… за исключением чистой энергии. Последнее является наиболее глубоким. Если взять два бильярдных шара и столкнуть их друг с другом, вы получите те же два бильярдных шара. Если взять фотон и электрон и столкнуть их вместе, вы также получите фотон и электрон. Но если столкнуть их с достаточным количеством энергии, то получится и фотон, и электрон, и новая материя — пара частиц антивещества. Другими словами, вы создали две новые массивные частицы:
— частицы материи, такие как электрон, протон, нейтрон и т.п.
— и частицы антивещества, такие как позитрон, антипротон, антинейтрон и т.п.,
чье существование может возникнуть, только если будет достаточно энергии. Именно таким образом ускорители частиц, как Большой адронный коллайдер в CERN, ищут новые, нестабильные, высокоэнергетические частицы (например, бозон Хиггса или верхний кварк) — создавая эти новые частицы из чистой энергии. Получаемая масса исходит из имеющейся энергии: m=E/c².
Но даже простая, обычная масса в покое имеет присущую ей энергию: огромное количество энергии. Это несет в себе потрясающий вывод: гравитация, которая существует между любыми двумя массами во Вселенной, также должна работать на основе энергии, которая эквивалентна массе через уравнение E=mc².
Количество уменьшающейся массы становится энергией, которая рассчитывается из уравнения E=mc².
Получаемая масса исходит из имеющейся энергии: m=E/c².Факт эквивалентности массы-энергии привел Эйнштейна к его величайшему достижению: Общей теории относительности. Представьте, что у вас есть частица материи и частица антивещества, каждая из которых имеет одинаковую массу покоя. Вы можете уничтожить их, и они будут производить фотоны определенного количества энергии, точного количества, заданного формулой E=mc². Теперь представьте, что пара частиц/античастиц движется очень быстро, как будто они падают из космоса, а затем самоуничтожаются вблизи поверхности Земли. Эти фотоны теперь будут иметь дополнительную энергию: не только E от E = mc², но и дополнительную E от количества кинетической энергии, которую они получили при падении.
Если мы хотим сохранить энергию, мы должны понять, что гравитационное красное смещение (а также синее смещение) должно быть реальным. Теория всемирного тяготения Ньютона не может объяснить этого, но в Общей теории относительности Эйнштейна кривизна пространства означает, что попадание в гравитационное поле заставляет вас получать энергию, а выход из гравитационного поля заставляет вас терять энергию.
Тогда полное и общее отношение для любого движущегося объекта — это не только E=mc², но и E²=m²c⁴+p²c² (где p — импульс.) Только обобщая вещи, включающие энергию, импульс и гравитацию, мы можем действительно описать Вселенную.
Великое уравнение Эйнштейна, E=mc², является триумфом мощи и простоты фундаментальной физики. Материя имеет присущее ей количество энергии, масса может быть преобразована (при правильных условиях) в чистую энергию, а энергия может быть использована для создания массивных объектов, которые ранее не существовали. Размышления об этом позволили ученым обнаружить фундаментальные частицы, составляющие нашу Вселенную, изобрести ядерную энергию и ядерное оружие, и открыть теорию гравитации, описывающую, как взаимодействует каждый объект во Вселенной.
The Three Meanings Of E=mc², Einstein’s Most Famous Equation
It’s so much more than mass-energy equivalence; it’s the key to unlocking the quantum Universe.
medium.com
Знаменитое уравнение Эйнштейна помогло создать материю из света
Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке (США) сумели впервые получить материю из чистого света, использовав для этого лабораторный коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC). Произведенные ими измерения полностью соответствуют предсказаниям Альберта Эйнштейна.
Статья исследователей ранее была опубликована в журнале Physical Review Letters, в коротко о нем рассказывает Live Science. Авторы работы пишут, что на открытие их вдохновило самое знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна: E = mc².
Как известно, у него всего три составляющих: E – полная энергия системы, m – масса, связанная с энергией через преобразовательный множитель, и c² – квадрат скорости света, обеспечивающий эквивалентность массы и энергии.
Из уравнения следует, что если столкнуть друг с другом два достаточно энергичных фотона или частицы света, то можно получить материю в форме электрона и позитрона – антивещества, противоположного ему.
Кстати, впервые этот процесс в 1934 году описал не сам Эйнштейн, а американские физики Грегори Брейт и Джон Уиллер, использовавшие уравнение Эйнштейна для изучения свойств света. Однако до последнего времени их труд оставался чистой теорией, так как экспериментально подтвердить его не удавалось.
Главной причиной этого было отсутствие технологий. Для получения материи из света сталкивающиеся фотоны должны представлять собой гамма-лучи очень высокой энергии. А это под силу только очень мощным лазерам, которых не существует и сегодня. Альтернативные эксперименты несколько раз показывали, что материя способна образовываться из нескольких фотонов, но никогда прежде этот эффект достоверно не был подтвержден.
В новом исследовании авторы заявляют, что им удалось достичь желаемого результата, причем для этого они использовали обходной путь. Отталкиваясь от уравнения Эйнштейна, они, вместо того, чтобы напрямую ускорять фотоны, ускорили два иона – атомные ядра, лишенные своих электронов.
Эти заряженные частицы движутся со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом они несут с собой электромагнитное поле, внутри которого находится сгусток, как говорят авторы работы, не совсем реальных, а скорее виртуальных фотонов, движущихся вместе с ионами как облака.
Виртуальные частицы, объяснят ученые, – это частицы, которые возникают на очень короткое время как возмущения в полях, существующих между реальными частицами. Они обладают массой в отличие от своих реально существующих двойников, и данный фактор стал решающим в ходе проведенных экспериментов.
Когда ионы на огромной скорости проносились друг мимо друга, два облака виртуальных фотонов двигались так же быстро, как если бы они были настоящими. При столкновении виртуальных частиц образовывалась реальная электрон-позитронная пара, что и удалось зафиксировать в эксперименте.
Для полноты исследования физики проверили, действительно ли полученные ими виртуальные фотоны ведут себя так же, как настоящие.
Для этого были изучены более чем 6000 электронно-позитронных пар, образованных в ходе эксперимента. Анализ показал, что эти пары образовывались под теми же углами, что и вторичные продукты реальных частиц. Тем самым было доказано, что виртуальные и реальные частицы ведут себя абсолютно одинаково. Исследователи также измерили энергию и распределение массы систем.
“Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами”, – заявил соавтор работы Даниэль Бранденбург.
Квантовая теория поля | Определение и факты
Диаграмма Фейнмана
Просмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Освальд Веблен Владимир Александрович Фок
- Похожие темы:
- единая теория поля квантовая электродинамика супергравитация калибровочная теория Эффект Казимира
Просмотреть весь связанный контент →
квантовая теория поля , совокупность физических принципов, сочетающих элементы квантовой механики с элементами теории относительности для объяснения поведения субатомных частиц и их взаимодействия через различные силовые поля.
Двумя примерами современных квантовых теорий поля являются квантовая электродинамика, описывающая взаимодействие электрически заряженных частиц и электромагнитной силы, и квантовая хромодинамика, представляющая взаимодействия кварков и сильного взаимодействия. Разработанные для учета явлений физики элементарных частиц, таких как высокоэнергетические столкновения, в которых могут создаваться или разрушаться субатомные частицы, квантовые теории поля также нашли применение в других областях физики.
Прототипом квантовых теорий поля является квантовая электродинамика (КЭД), которая обеспечивает комплексную математическую основу для предсказания и понимания эффектов электромагнетизма на электрически заряженную материю на всех энергетических уровнях. Электрические и магнитные силы рассматриваются как возникающие в результате испускания и поглощения обменных частиц, называемых фотонами. Их можно представить как возмущения электромагнитных полей, подобно тому, как рябь на озере — это возмущения воды.
Среди физиков широко распространено убеждение, что другие силы в природе — слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад; сильная сила, которая связывает вместе составляющие атомных ядер; и, возможно, гравитационная сила — могут быть описаны теориями, подобными КЭД. Эти теории известны под общим названием калибровочных теорий. Каждая из сил опосредована своим набором обменных частиц, и различия между силами отражаются в свойствах этих частиц. Например, электромагнитные и гравитационные силы действуют на больших расстояниях, а их обменные частицы — соответственно хорошо изученный фотон и еще не обнаруженный гравитон — не имеют массы.
Напротив, сильные и слабые взаимодействия действуют только на расстояниях, меньших размера атомного ядра. Квантовая хромодинамика (КХД), современная квантовая теория поля, описывающая эффекты сильного взаимодействия между кварками, предсказывает существование обменных частиц, называемых глюонами, которые также не имеют массы, как и в КЭД, но взаимодействия которых происходят таким образом, что кварки, по существу, остаются связанными. частицы, такие как протон и нейтрон. Слабое взаимодействие переносится массивными обменными частицами — частицами W и Z — и, таким образом, ограничено чрезвычайно коротким радиусом, примерно 1% диаметра типичного атомного ядра.
Современное теоретическое понимание фундаментальных взаимодействий материи основано на квантово-полевых теориях этих сил. Однако продолжаются исследования по разработке единой теории поля, охватывающей все силы. В такой единой теории все силы имели бы общее происхождение и были бы связаны математическими симметриями.
Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена Эриком Грегерсеном.
Домашняя страница Эйнштейна «Большая идея» | |||||
E = mc 2 . Так зачем умножать массу грецкого ореха на скорость свет, чтобы определить, сколько энергии связано внутри него? Причина в том, что всякий раз, когда вы превращаете часть грецкого ореха или любого другого куска материи в чистый энергии, результирующая энергия по определению движется со скоростью света. Чистая энергия — это электромагнитное излучение, будь то свет, рентгеновские лучи или что угодно, а электромагнитное излучение распространяется с постоянной скоростью 300 000 км/сек (186 000 миль/сек). Зачем же тогда возводить скорость света в квадрат? Это связано с
природа энергии. Вот пример. Если бы вы могли превратить каждый атом в бумагу скрепка в чистую энергию — не оставляя никакой массы — скрепка даст 18 килотонн тротила. Это примерно размер бомбы, которая уничтожил Хиросиму в 1945 году. Однако на Земле нет практического способа полностью преобразовать скрепку или любой другой предмет в энергию. Это потребует температура и давление выше, чем в ядре нашего солнца. |
|
Когда что-то движется в четыре раза быстрее, чем что-то
в противном случае его энергия не в четыре раза больше, а в 16 раз больше.
энергии — другими словами, эта цифра возводится в квадрат. Итак, скорость света
квадрат — это коэффициент преобразования, который определяет, сколько энергии содержится в
грецкий орех или любой другой кусок материи. А поскольку скорость света в квадрате
это огромное число-90 000 000 000 (км/сек) 