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愛因斯坦最著名的方程E =mc2的三個含義

2018-02-05

這不僅僅是質能等??同,這是解開量子宇宙的關鍵。

幾百年來,有一個永恒的物理學定律,從來沒有受到挑戰:在宇宙中發生的任何反應中,質量是守恒的。不管你放什么,什么反應,什么出來,你開始的總和和你結束的總和是平等的。但是在狹義相對論的定律下,質量根本不可能是最終的守恒量,因為不同的觀察者會不同意系統的能量。相反,愛因斯坦能夠推導出一個我們今天仍然使用的規律,由最簡單但是最強大的方程式之一寫成,E = mc2。

一枚核動力火箭發動機,準備在1967年進行試驗。這枚火箭由質量/能量轉換驅動,E =mc2。圖片來源:ECF(實驗發動機冷流)實驗核火箭發動機,美國宇航局,1967年。

愛因斯坦最著名的陳述只有三個部分:

1、E或能量,它是方程一邊的整體,代表系統的總能量。
2、m或質量,這與通過轉換因子的能量有關。
3、而c2是光速的平方:我們需要使質量和能量相等的正確因素。

尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)和阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)在1925年Paul Ehrenfest的家中討論了許多話題。玻爾 – 愛因斯坦的辯論是量子力學發展中最有影響力的事件之一。今天,玻爾以其量子貢獻而聞名,但愛因斯坦因其對相對論和質能等價的貢獻而聞名于世。圖片來源:Paul Ehrenfest。

這個等式意味著什么是徹底的世界變化。正如愛因斯坦自己所說的那樣:

從狹義相對論來看,質量和能量都是同一事物的不同表現形式 – 對于普通人來說,這是一種有些陌生的概念。

以下是這個簡單方程的三個最大意義

標準模型的夸克,反夸克和膠子除了質量和電荷等所有其他性質外,還具有彩色電荷。只有膠子和光子無質量; 其他人,甚至中微子,都有一個非零的靜止質量。圖片來源:E. Siegel /“超越銀河”。

即使是休息的群眾也有一種固有的能量。你已經學習了所有類型的能量,包括機械能,化學能,電能以及動能。這些都是移動或反應物體固有的能量,這些能量形式可以用來做工作,例如運行引擎,給燈泡供電,或者把谷物磨成??面粉。但即使是平靜,古老,規則的靜止物質也具有固有的能量:巨大的能量。這帶有巨大的含義:牛頓的宇宙中的任何兩個群眾之間的萬有引力也應該以能量為基礎,這相當于通過E = mc 2的質量。

由純能源產生的物質/反物質對(左)是完全可逆的反應(右),物質/反物質湮沒回純能量。遵循E =mc2的這個創造和湮沒過程是創造和摧毀物質或反物質的唯一已知方法。圖片來源:Dmitri Pogosyan /阿爾伯塔大學。

質量可以轉化為純能量。這是等式的第二個含義,其中E =mc2告訴我們從轉換質量到多少能量。每轉換1千克質量,你就能得到9×1018焦耳的能量,這相當于21兆噸的TNT。當我們經歷放射性衰變,或者核裂變或者核聚變反應時,我們開始的質量大于我們碰到的質量;?質量守恒定律無效。但差額的多少是釋放了多少能量!從衰變的鈾到裂變炸彈,到太陽的核聚變,再到物質 – 反物質的殲滅,都是如此。你摧毀的質量成為能量,你得到的能量由E = mc 2給出。

2014年大型強子對撞機發生的高能碰撞產生的粒子軌跡。復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產生了新的粒子。圖片來源:CERN。

能量可以用來從無到有,除了純粹的能量之外,使物質成為可能。最后的意義是最深刻的。如果你拿兩個臺球把它們一起粉碎,你會得到兩個臺球。如果你把一個光子和一個電子一起粉碎,你會得到一個光子和一個電子。但是如果用足夠的能量將它們粉碎在一起,就會得到一個光子,一個電子,一個新物質 – 反物質粒子。換句話說,你會創造兩個新的巨大的粒子:

物質粒子,如電子,質子,中子等,
和反物質粒子,如正電子,反質子,反中子等,

如果你投入足夠的精力開始,它的存在才會出現。這就是粒子加速器,就像歐洲核子研究中心的大型強子對撞機一樣,首先要尋找新的,不穩定的高能??粒子(如希格斯玻色子或頂夸克):用純能量制造新粒子。你得到的質量來自可用的能量:m = E /c2。這也意味著,如果您的顆粒具有有限的壽命,則由于海森堡不確定性,有一個固有不可知到它的質量,因為Δ?è?Δ?噸??,因此有一個對應的Δ?米從愛因斯坦方程,太。當物理學家談論一個粒子的寬度時,這種固有的質量不確定性就是他們正在談論的。

在廣義相對論的圖景中,時空的翹曲是由引力群眾所引起的。圖片來源:LIGO / T。派爾。

質能等價的事實也導致了愛因斯坦的最大成就:廣義相對論。想象一下,你有一個物質的粒子和一個反物質的粒子,每個都有相同的休息質量。你可以消滅它們,它們會產生一定量的能量的光子,具體數量由E =mc2給出。現在想象一下,你們這顆粒子/反粒子快速地移動了,就好像它們已經從外太空掉下來一樣,然后在接近地球表面的地方湮滅了。這些光子現在將有額外的能量:不僅是?從E =MC2,但附加?從動能他們獲得了由下降量。

如果物質和反物質兩個物體湮滅,它們就會產生極其特定能量的光子。如果它們在引力場下落后產生這些光子,則能量應該更高。這意味著必定會有某種引力紅移/藍移,牛頓引力不能預測,否則能量就不守恒。圖片來源:Ray Shapp / Mike Luciuk; 由E. Siegel修改。

如果我們要節約能源,我們必須明白,引力紅移(和藍移)一定是真實的。牛頓的引力無法解釋這一點,但在愛因斯坦的廣義相對論中,空間的曲率意味著落入引力場使你獲得能量,爬出引力場使你失去能量。那么,對于任何移動的物體來說,完整的和一般的關系不僅僅是E =mc2,而且E2= m2c4?+?pc2。(其中p是動量)只有通過概括包括能量,動量和引力在內的東西,才能真實地描述宇宙。

當輻射量子離開引力場時,其頻率必須紅移以節約能量; 當它落入時,它必須是藍色的。只有萬有引力本身不僅與質量和能量有關,這是否有意義。圖片來源:Vlad2i和馬波斯/英文維基百科。

愛因斯坦最偉大的等式,E =mc2,是基礎物理的力量和簡單的勝利。物質具有固有的能量,質量可以在正確的條件下被轉化為純能量,并且能量可以用來創造以前不存在的大量物體。以這種方式思考問題使我們能夠發現構成我們宇宙的基本粒子,發明核能和核武器,并發現描述宇宙中每個物體如何相互作用的重力理論。而要找出這個等式的關鍵呢?一個不起眼的思想實驗,基于一個簡單的概念:即能量和動量都守恒。其余的部分?這只是宇宙的一個不可避免的結果。

文章來源: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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