爱因斯坦最着名的方程E =mc²的三个含义

2018-02-05

这不仅仅是质能等​​同,这是解开量子宇宙的关键。

几百年来,有一个永恒的物理学定律,从来没有受到挑战:在宇宙中发生的任何反应中,质量是守恒的。不管你放什么,什么反应,什么出来,你开始的总和和你结束的总和是平等的。但是在狭义相对论的定律下,质量根本不可能是最终的守恒量,因为不同的观察者会不同意系统的能量。相反,爱因斯坦能够推导出一个我们今天仍然使用的规律,由最简单但是最强大的方程式之一写成,E = mc²。

一枚核动力火箭发动机,准备在1967年进行试验。这枚火箭由质量/能量转换驱动,E =mc²。图片来源:ECF(实验发动机冷流)实验核火箭发动机,美国宇航局,1967年。

爱因斯坦最着名的陈述只有三个部分:

1、E或能量,它是方程一边的整体,代表系统的总能量。
2、m或质量,这与通过转换因子的能量有关。
3、而c²是光速的平方:我们需要使质量和能量相等的正确因素。

尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)和阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在1925年Paul Ehrenfest的家中讨论了许多话题。玻尔 – 爱因斯坦的辩论是量子力学发展中最有影响力的事件之一。今天,玻尔以其量子贡献而闻名,但爱因斯坦因其对相对论和质能等价的贡献而闻名于世。图片来源:Paul Ehrenfest。

这个等式意味着什么是彻底的世界变化。正如爱因斯坦自己所说的那样:

从狭义相对论来看,质量和能量都是同一事物的不同表现形式 – 对于普通人来说,这是一种有些陌生的概念。

以下是这个简单方程的三个最大意义

标准模型的夸克,反夸克和胶子除了质量和电荷等所有其他性质外,还具有彩色电荷。只有胶子和光子无质量; 其他人,甚至中微子,都有一个非零的静止质量。图片来源:E. Siegel /“超越银河”。

即使是休息的群众也有一种固有的能量。你已经学习了所有类型的能量,包括机械能,化学能,电能以及动能。这些都是移动或反应物体固有的能量,这些能量形式可以用来做工作,例如运行引擎,给灯泡供电,或者把谷物磨成​​面粉。但即使是平静,古老,规则的静止物质也具有固有的能量:巨大的能量。这带有巨大的含义:牛顿的宇宙中的任何两个群众之间的万有引力也应该以能量为基础,这相当于通过E = mc 2的质量。

由纯能源产生的物质/反物质对(左)是完全可逆的反应(右),物质/反物质湮没回纯能量。遵循E =mc²的这个创造和湮没过程是创造和摧毁物质或反物质的唯一已知方法。图片来源:Dmitri Pogosyan /阿尔伯塔大学。

质量可以转化为纯能量。这是等式的第二个含义,其中E =mc²告诉我们从转换质量到多少能量。每转换1千克质量,你就能得到9×1018焦耳的能量,这相当于21兆吨的TNT。当我们经历放射性衰变,或者核裂变或者核聚变反应时,我们开始的质量大于我们碰到的质量; 质量守恒定律无效。但差额的多少是释放了多少能量!从衰变的铀到裂变炸弹,到太阳的核聚变,再到物质 – 反物质的歼灭,都是如此。你摧毁的质量成为能量,你得到的能量由E = mc 2给出。

2014年大型强子对撞机发生的高能碰撞产生的粒子轨迹。复合粒子被分解成各自的成分并散射,但是碰撞中的可用能量也产生了新的粒子。图片来源:CERN。

能量可以用来从无到有,除了纯粹的能量之外,使物质成为可能。最后的意义是最深刻的。如果你拿两个台球把它们一起粉碎,你会得到两个台球。如果你把一个光子和一个电子一起粉碎,你会得到一个光子和一个电子。但是如果用足够的能量将它们粉碎在一起,就会得到一个光子,一个电子,一个新物质 – 反物质粒子。换句话说,你会创造两个新的巨大的粒子:

物质粒子,如电子,质子,中子等,
和反物质粒子,如正电子,反质子,反中子等,

如果你投入足够的精力开始,它的存在才会出现。这就是粒子加速器,就像欧洲核子研究中心的大型强子对撞机一样,首先要寻找新的,不稳定的高能​​粒子(如希格斯玻色子或顶夸克):用纯能量制造新粒子。你得到的质量来自可用的能量:m = E /c²。这也意味着,如果您的颗粒具有有限的寿命,则由于海森堡不确定性,有一个固有不可知到它的质量,因为Δ È Δ 吨〜ħ,因此有一个对应的Δ 米从爱因斯坦方程,太。当物理学家谈论一个粒子的宽度时,这种固有的质量不确定性就是他们正在谈论的。

在广义相对论的图景中,时空的翘曲是由引力群众所引起的。图片来源:LIGO / T。派尔。

质能等价的事实也导致了爱因斯坦的最大成就:广义相对论。想象一下,你有一个物质的粒子和一个反物质的粒子,每个都有相同的休息质量。你可以消灭它们,它们会产生一定量的能量的光子,具体数量由E =mc²给出。现在想象一下,你们这颗粒子/反粒子快速地移动了,就好像它们已经从外太空掉下来一样,然后在接近地球表面的地方湮灭了。这些光子现在将有额外的能量:不仅是Ë从E =MC²,但附加Ë从动能他们获得了由下降量。

如果物质和反物质两个物体湮灭,它们就会产生极其特定能量的光子。如果它们在引力场下落后产生这些光子,则能量应该更高。这意味着必定会有某种引力红移/蓝移,牛顿引力不能预测,否则能量就不守恒。图片来源:Ray Shapp / Mike Luciuk; 由E. Siegel修改。

如果我们要节约能源,我们必须明白,引力红移(和蓝移)一定是真实的。牛顿的引力无法解释这一点,但在爱因斯坦的广义相对论中,空间的曲率意味着落入引力场使你获得能量,爬出引力场使你失去能量。那么,对于任何移动的物体来说,完整的和一般的关系不仅仅是E =mc²,而且E²= m2c4 + pc2。(其中p是动量)只有通过概括包括能量,动量和引力在内的东西,才能真实地描述宇宙。

当辐射量子离开引力场时,其频率必须红移以节约能量; 当它落入时,它必须是蓝色的。只有万有引力本身不仅与质量和能量有关,这是否有意义。图片来源:Vlad2i和马波斯/英文维基百科。

爱因斯坦最伟大的等式,E =mc²,是基础物理的力量和简单的胜利。物质具有固有的能量,质量可以在正确的条件下被转化为纯能量,并且能量可以用来创造以前不存在的大量物体。以这种方式思考问题使我们能够发现构成我们宇宙的基本粒子,发明核能和核武器,并发现描述宇宙中每个物体如何相互作用的重力理论。而要找出这个等式的关键呢?一个不起眼的思想实验,基于一个简单的概念:即能量和动量都守恒。其余的部分?这只是宇宙的一个不可避免的结果。

文章来源:https://medium.com/starts-with-a-bang/the-three-meanings-of-e-mc%C2%B2-einsteins-most-famous-equation-a0ec1549b4cd

作者:Ethan Siegel

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