Почему E = Mc ^ 2?

{h1}

Астрофизик пол саттер дает восхитительный взгляд на науку, стоящую за знаменитым уравнением эйнштейна e = mc2.

Пол Саттер - астрофизик в Университете штата Огайо и главный научный сотрудник Научного центра COSI. Саттер также является хозяином подкастов Ask a Spaceman и RealSpace, а также серии YouTube Space In Your Face. Саттер опубликовал эту статью в «Голоса экспертов WordsSideKick.com»: Op-Ed & Insights.

Давай сыграем в игру! Скорость света - это просто число, верно? Например, если вы определяете свои единицы измерения, что такое «метр» и «секунда», вы можете сказать, что скорость света составляет около 300 000 000 метров в секунду. Или 670 000 000 «миль» в час, что бы это ни было.

Что если вместо этого мы просто сказали, что скорость света равна… 1. Всего 1. Итак, 1 что? Я сказал: только 1. Ни миль, ни секунд, ни фортни, ни лиг. Только 1. Нам разрешено это делать, потому что это просто число, и мы выбираем систему, в которой скорость не имеет единиц измерения. В этой системе реактивный авиалайнер курсирует со скоростью улитки 0,000001, или 0,0001 процента скорости света. Два самых быстрых созданных человеком объекта, зонды Гелиоса, приблизились к Солнечной системе с колоссальными 0,00025! Посмотри на них иди!

Теперь, когда мы определили скорость света равной 1, давайте рассмотрим самое известное в физике уравнение: E = mc2, [Инфографика: как работает Эйнштейн E = mc ^ 2]

Мы знаем все, но давайте обновим: Е для энергии, м для массы и с это спостоянная скорость света. Но в нашей новомодной системе единиц (называемой, для технически мыслящих, геометрические единицы), c равно 1, и это знаменитое уравнение сводится к его сущности:

Е = м.

Я даже объясню это:

Энергия = масса.

Это не становится яснее, ребята. Энергия это масса. Масса это энергия. Они эквивалентны; они равны. Это одно и то же.

Подожди, подожди, подожди, ты говоришь, когда смотришь на меня с подозрением. А как насчет света? Фотоны не имеют никакой массы, но они, безусловно, имеют много энергии. Как еще растения едят?

Если вы являетесь экспертом по темам - исследователем, лидером бизнеса, автором или новатором - и хотели бы внести свой отзыв, напишите нам здесь.

Если вы являетесь экспертом по темам - исследователем, лидером бизнеса, автором или новатором - и хотели бы внести свой отзыв, напишите нам здесь.

Вы правы, фотоны не имеют массы. Но у них есть импульс, благодаря которому такие вещи, как легкие паруса (также называемые солнечными парусами), получают необходимую им способность скользить по солнечной системе: их движущая сила исходит от солнечного радиационного давления. И импульс имеет энергию. Но где импульс в E = m? Похоже, у нас нет достаточно писем, чтобы втиснуть его.

Путаница возникает из-за "m", используемого в E = m. Обычно мы думаем о «массе» как о чем-то конкретном и простом. Держите камень в руке; у него масса. Брось его, и у него будет масса и импульс. Но это не «м» в E = м. Вместо этого, когда Эйнштейн записал это уравнение, он имел в виду нечто иное, обычно называемое «релятивистской массой». [8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни]

Этот термин не так часто используется в настоящее время, потому что он вызывает так много царапин на голове.

Давайте сделаем шаг назад и посмотрим, что думал Эйнштейн.

Вы помните особую относительность на уровне детского сада и слышали такие вещи, как «невозможно двигаться со скоростью света, потому что чем быстрее что-то движется, тем больше массы оно имеет. Чтобы добраться до скорости света, оно имеет бесконечную массу, поэтому было бы невозможно подтолкнуть! Да, теперь пришло время для специальной теории относительности первого класса.

Основополагающим аспектом нашей вселенной является то, что есть универсальный (и я действительно имею в виду универсальный) ограничение скорости: та же скорость, что и свет. Несмотря ни на что, вы никогда не сможете взломать эту скорость. Давайте посмотрим, как это работает на практике:

Допустим, я даю вам хороший, твердый толчок и отправлю вас в 0,9, то есть в 9/10-ю скорость света. Что если я догоню тебя и дам тебе точно такой же шовэ, опять. Вы не будете идти на 18/10 скорости света, потому что это запрещено. Ты получишь ближе со скоростью света, но никогда не пересекать ее. Так что за ту же самую силу, которую я воздействую на ваше безнадежное я, я не двигаю вас так быстро. Я получаю меньше денег за доллар.

И чем ближе вы к скорости света, тем менее эффективными будут мои удары: первый может дать вам 0,9, затем второй 0,99, затем 0,999, затем 0,9999. Снижение возвращается каждый раз. На самом деле это будто Вы становились все более массивными. Это именно то, что означает больше массы: тебя труднее толкать.

Итак, что происходит? Ответ - энергия. У вас все та же старая нормальная, повседневная масса отдыха, которую вы всегда имели. Но ты действительно собираешься, действительно быстрый. И эта скорость имеет энергию, связанную с ней - кинетическую энергию. Так что, как и вся эта кинетическая энергия играет роль как лишняя масса; В любом случае, из-за этого фундаментального ограничения скорости вам будет сложнее нажимать.

Другими словами, вы можете сказать, что энергия - это масса. Да, знаешь что.

Вернуться к «м» в E = м. Когда физики впервые начали играть с этими уравнениями, они хорошо знали об универсальном ограничении скорости и его неинтуитивном следствии того, что вам будет сложнее толкать быстрее, чем вы идете. Таким образом, они заключили эту концепцию в единую переменную: релятивистскую массу, которая сочетает в себе как нормальную, повседневную массу, так и «эффективную» массу, которую вы получаете от нагрузки кинетической энергией.

Когда мы разбиваем «м» на разные части, мы получаем:

Е2 = м2 + р2

Или вернуть нашего друга c:

Е2 = м2с4 + р2с2

И у нас есть еще один персонаж, вступающий в партию: п, для импульса. Фотоны не имеют массы, но у них есть импульс, поэтому они все еще получают энергию.

С этой точки зрения масса является своего рода энергией. Но я только что сказал выше, что энергия действует как масса. В чем дело? Мы просто говорим по кругу?

Масса - это энергия. Энергия это масса. Вы можете считать вещи по энергии или по массе. Это не важно Они одно и то же.

Горячая чашка кофе буквально весит больше, чем холодная чашка. Быстро движущийся космический корабль буквально весит больше, чем медленный. Камень - или атомное ядро ​​- представляет собой компактный пучок энергии, и иногда мы можем дразнить часть этой энергии для большого бума.

Узнайте больше, слушая эпизод "Почему E = mc ^ 2?" в подкасте «Спроси космонавта», доступном в iTunes и на веб-сайте askaspaceman.com. Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя указаниям Пола @PaulMattSutterand facebook.com/PaulMattSutter.

Следите за всеми вопросами и дебатами Expert Voices и станьте частью дискуссии на Facebook, Twitter и Google+. Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают взгляды издателя. Эта версия статьи была первоначально опубликована на WordsSideKick.com.





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com