Водородният атом има по-малко маса от комбинираните маси на протона и електронa, които го съставляват. Точно така, по-малко.
Как може нещо да тежи по-малко отколкото сумата от неговите части? Ето затова това. И днес ще обясним какво наистина означава най-известното уравнение във физиката.
[МУЗИКА] E=mc² е вероятно най-известното уравнение във физиката, но в оригиналната статия от 1905 г.
Айнщайн всъщност го записва по различен начин - като m=Е/c². Това е така, защото в основата си, този крайъгълен камък на физиката ни учи на това какво е масата.
Често ще видите обяснения като "масата е форма на енергия" или "масата е застинала енергия "или "масата може да се превърне в енергия. " Последното е най-зле.
За съжаление, нито едно от тези твърдения не е съвсем правилно, така че ще се отчаяме, ако се опитаме да ги проумеем. Вместо това можем да получим по-добро разбиране за това какво означава m=Е/c² ако започнем с някои неща
които уравнението предполага и които изглеждат в противоречие с нашето разбиране за маса. Ето нещо невероятно. Дори ако два обекта са направени от идентични компоненти,
тези обекти като цяло няма да имат еднакви маси. Масата на нещо, което е изработено от по-малки части не е само сумата от масите на тези части. Вместо това, общата маса на целия обект
също зависи от това как са подредени неговите части, и второ, как се движат тези части в рамките на по-големия обект. Ето конкретен пример. Представете си два механични часовника, които са идентични атом по атом
освен в това, че единият от тях е навит и работи, но другият е спрял. Според Айнщайн, часовникът, който върви има по-голяма маса.
Защо? Ами защото стрелките и зъбните колела на навития се часовник се движат, така че те имат известна кинетична енергия. В работещия часовник има и навити пружини
които имат потенциална енергия, има и триене между движещете се части на този часовник, което ги затопля леко, така че атомитите започват да се движат.
Това е топлинна енергия, или еквивалентно, рандомизирана кинетична енергия на по-микроскопично ниво. Добре, стана ли ясно? Сега, това, което ни казва m=Е/c²
е, че всичката тази кинетична енергия и потенциална енергия и топлинна енергия, които са в частите на часовника се проявяват като част от масата на часовника. Просто добавяте цялата тази енергия, разделете я
на скоростта на светлината квадрат, и ще получите колко допълнителна маса добавят кинетичната, потенциалната и термичната енергия към цялото.
Тъй като скоростта на светлината е огромна, тази допълнителна маса е малка, само около една милиардна от милиардна от процента от общата маса на часовника. Ето защо, според Айнщайн повечето от нас
неправилно сме смятали, че масата е показател за сумата от материята в обект. В ежедневието ние просто не забелязваме разликата защото е толкова малка, но не е нула.
И ако имаме изключително чувствителни везни, можем да я измерим. Но чакайте малко. Нима твърдя, че масата на стрелката за минутите
е по - голяма, защото стрелката се движи? Не. Това е остаряла гледна точка. Повечето съвременни физици разглеждат масата при покой,
или "маса в покой", когато говорят за маса. В съвременния изказ фразата "маса в покой" е излишна. Има много причини причини да говорим по този начин, сред тях е фактът, че масата при покой е
свойство валидно за всички наблюдатели, подобно на интервала пространство-време който разгледахме в предишен епизод. Всичко това става малко малко по-сложно
в общата теория на относителността, но ще разгледаме този въпрос друг път. За нас днес, m=Е/c² масата в покой. Можете да го резглеждате като показател колко е трудно да се ускори или обект, или като показател
колко гравитационна сила ще бъде упражнена върху обекта. Но във всички случаи навитият часовник има по-голяма маса отколкото друг иначе напълно еднакъв, но спрял часовник. Повече примери могли да помогнат да изясним какво се случва.
Всеки път, когато включим фенерче, математиката веднага се задейства . Помислете си само. Светлината носи енергия и тази енергия
предварително е била съхранена като електрохимична енергия вътре в батерията и по този начин се проявява като част от общата маса на фенерчето. Веднъж избягала, тази енергия вече не се претегля.
И да, тъй като слънцето е общо взето огромно фенерче, масата му намалява по силата на факта, че свети и така отделя около 4 милиарда килограма всяка секунда.
Не се притеснявайте, орбитът на Земята ще бъде наред. Това е само една милиардна от трилионна част от масата на слънцето, и само 0,07% от масата на слънцето за целия му 10 милиарда годишен живот.
Това означава ли, че слънцето превръща маса в енергия? Не. Това не е алхимия. Цялата енергия в слънчева светлина е за сметка на друга енергия,
кинетична и потенциална енергията на частиците които съставляват слънцето. Преди да се излъчи светлината, в обема на слънцето се съдържа просто повече кинетична и потенциалната енергия,
които се проявяват като част от масата на слънцето. Тези 4 милиарда килограма, които слънцето губи всяка секунда са в действителност намаляване на кинетичните и потенциалните енергии на съставните му частици.
Това, което сме претегляли цялото време са енергиите на частиците в обектите. Просто не сме го забелязали досега. Друг пример.
Да предположим, че стоя с фенерче в затворена кутия с огледални стени поставена на везна. Ще се промени ли показанието на везната,
ако включа фенерчето? Интересно, но няма. Само фенерчето ще загуби маса, но масата на цялата кутия и нейното съдържание
ще остане постоянна. Да, вярно е, че везната регистрира малко електрохимическа енергия, но също така регистрира точно същото количество допълнителна светлинна енергия
на която този път не позволяваме да избяга. Точно така, въпреки че самата светлина е без маса, ако я затвотите в кутия, нейната енергия все още допринася за общата маса на тази кутия поради това, че
m=Е/c² Ето защо показанието на везната не се променя. Така, ето и наистина забавната част. Във всеки пример който дадохме досега,
нещата тежат повече от сумата от частите, които ги съставляват. Но в началото на епизода казах че масата на водородния атом е по-малка от
комбинираните маси на електрон и протона които го изграждат. Как става така? Това е така, защото потенциалната енергия може да бъде отрицателна.
Нека потенциалната енергия на протон и електрон е нула, когато са безкрайно далеч един от друг. Тъй като се привличат, тяхната електрическа потенциална енергия ще пнамалее, когато са близко един до друг, точно както
вашета гравитационна потенциална енергия намалява, когато се приближавате до повърхността на Земята, която също ви привлича. Така че потенциалната енергия на електрона и протона
в водородния атом е отрицателна. Електронът във водорода има и кинетична енергия, която винаги е положителна, благодарение на движението му около протона.
Но както изглежда потенциалната енергия е достатъчно отрицателна, че сумата на кинетичната и потенциалната енергия пак е отрицателна, и следователно m=Е/c²
излиза отрицателна, и водородният атом тежи по - малко от комбинирани маси на частите му. Еха! Всъщност, ако няма някакви странни обстоятелства,
всички атоми на периодичната таблица тежат по-малко от комбинираните маси на протоните, неутроните и електроните които ги съставляват. Същото важи и за молекулите.
Кислородната молекула тежи по-малко от два кислородни атома тъй като сумата на кинетичната и потенциалната енергия на тези атоми, след като образуват химическа връзка, е отрицателна. Какво да кажем за самите протони и неутрони?
Те са направени от частици, наречени кварки, чиято комбинирана маса е около 2000 до 3000 пъти по-малка от масата на протоните или на неутроните. И така, откъде идва масата на протона?
Общо взето от потенциалната енергия на кварките. Veritasium направиха хубав епизод по този въпрос който можете да видите, ако кликнете тук. Всеки път, когато казва "глуони" във видеоклипа,
просто заместете с "потенциална енергия на кварките," и ще добиете що-годе правилна картина за това, което се случва. Добре, ами масите на електроните и кварките?
Според стандартния модел на физиката на елементарните частици, те не са съставени от по-малки части, така че откъде идва тяхната маса? Това някаква базова маса в пре-Айнщайнов
смисъл на думата ли е? Е, това е един тънък въпрос, но грубо казано, вие можем да мисли за тази маса като рефлекция на различни видове потенциални енергии.
Например, има потенциална енергия свързана с взаимодействията на електроните и кварките с полето на Хигс. Съществува и потенциална енергия
която електроните и кварките имат от взаимодействието с електрическите полета които самите те произвеждат, или в случая на кварките, също и с глуонните полета които самите те произвеждат.
Добре, какво да кажем за анихилацията на материя и антиматерия? Не трябва ли да я разглеждаме като маса превръщаща се в енергия? Интересното е, че не.
Има начин да представим дори и този процес като обикновено превръщане на един вид енергия в друг - кинетична, потенциална, светлина и т.н. Масата никога не е нужна в енергийната алхимия.
Но моля, повярвайте ми, всъщност изобщо не е нужно да говорим за превръщане на масата в енергия. Вместо това, най-забавното в този епизод е,
че масата всъщност не е нищо. Това е свойство, свойство, което проявяват всички енергии. И в този смисъл, въпреки че не правилно да се мисли за масата като за показател за количеството на нещата
в материалния смисъл, можете да мислите за нея като за индикатор за количество енергия. Така че, без да осъзнаваме всеки път, когато когато използваме везна измерваме кумулативното енергийно съдържание
на обектите. Ще приключа с два коментара. Първо, оригиналната статия на Айнщайн по тази тема има само три страници и не се чете много трудно.
Ще намерите линк към английския превод на статията в описанието, и силно ви препоръчвам да я прочетете. Второ, искам да ви оставя с предизвикателен въпрос
за да проверите дали сте разбрали. Първо, условието. Да предположим, че сте сложили две еднакви блокчета едино до друго на везна и претеглянте на двете заедно, след това ги слагате едно върху друго
и отново ги претегляте. Втората конфигурация има по-голяма гравитационна потенциална енергия от първата защото вторият блок е по-високо, така че ще има по-голяма маса от първата.
Имайте това предвид. за да отговорите на следния въпрос. Да предположим, че всички хора на Земята едновременно вдигат чук от земята. Общата масата на планетата ще
се увеличи ли и ако е така, с колко? Не поставяйте отговорите секцията за коментари. Тя, както обикновено, е за вашите въпроси. Вместо това изпратете вашите отговори по имейл
до [email protected] с предмет "E = MC2 Challenge." Изпратете вашите отговори не по-рано от 17:00 часа нюйоркско време на тази дата.
Искам да дам шанс на всички да помислят и да отговорят, защото ще споменем първите пет правилни отговори, които също трябва да имат правилни обяснения, за да се броят,
в следващия епизод на "Space Time". Миналата седмица говорихме за разработки на НАСА. Първо, вие споменахте някои неща, които, нека уточним. не са
разработки на НАСА - микровълновите печки, Танг, велкрото, безжичните електрически инструменти, космическата писалка, ЯМР машините - нищо от това са разработки на НАСА. Но споменахте някои разработки на НАСА, които бяхме пропуснали.
Райън Браун спомена космическите одеяла, Дейвид Ши писа за контактните лещи с кислородна пропускливост, а UndamagedLama2 спомена роботизираната ендоскопска хирургия. Супер находки!
Джей Перин, който е авиодиспечер и бивш пожарникар разказа колко е важно да можеш да виждаш през дим и мъгла. Страхотно да чуем някого, който има опит от първа ръка
с технологиите на НАСА. jancultis или "yawn" -cultis, посочва, че НАСА е страхотна но е неефективна и има както още да подобри. Съгласен съм и мисля, че от НАСА също са съгласни.
Откакто сте се родили, със сигурност сте чували за уравнението на Айнщайн – E=mc², а същото така ви е обяснено, че то доказва, че енергията е равна на масата, или нещо подобно. НО ЧАКАЙТЕ. Дали E=mc² ви е обяснено като хората?
Уравнението и по-конкретно в специалната теория на относителността отразява становището за равнопоставеност на енергия и маса. ~ От Wikipedia
Масата е равна на енергията, това е вярно, но E=mc² реално обяснява нещо много по-интересно и честно, това, което доказва това уравнение е много по-вълнуващо от това, което ще чуете в уроците по физика в училище.
Приятно гледане!
