ثلاثة معاني لمعادلة آينشتاين الأكثر شهرة

يعرض آينشتاين STO أمام الجمهور ؛ 1934.

لمئات السنين في الفيزياء كان هناك قانون ثابت لم يكن موضع شك أبدًا: في أي رد فعل يحدث في الكون ، يتم الحفاظ على الكتلة. لا يهم المكونات التي يجب استخدامها ، وما هو رد الفعل الذي حدث ، وماذا حدث - سيكون مجموع ما بدأت به ومجموع ما انتهى بكما متساوين في الوزن. ولكن وفقًا لقوانين النظرية النسبية الخاصة ، لا يمكن أن تكون الكتلة كمية محفوظة ، حيث يختلف المراقبون المختلفون حول مقدار الطاقة التي يمتلكها النظام. وبدلاً من ذلك ، تمكن أينشتاين من استنباط قانون ما زلنا نستخدمه اليوم ، مدفوعًا بواحدة من أبسط وأقوى المعادلات: E = mc ² .


يتم تحضير صاروخ نووي للاختبار في عام 1967. يعمل الصاروخ لتحويل الكتلة إلى طاقة ، E = mc ² .

تحتوي معادلة أينشتاين الأكثر شهرة على ثلاثة مكونات فقط:

1. E ، أو الطاقة ، تشغل جزءًا واحدًا من المعادلة تمامًا ، وتمثل الطاقة الإجمالية للنظام.
2. م ، الكتلة المرتبطة بالطاقة من خلال عامل التحويل.
3. ج ² ، مربع سرعة الضوء هو عامل ضروري لضمان معادلة الكتلة والطاقة.

ناقش نيلز بور وألبرت أينشتاين العديد من المواضيع في منزل بول إهرنفست في عام 1925. كان نقاش بور مع أينشتاين هو العامل الأكثر تأثيرًا أثناء تطوير ميكانيكا الكم. اليوم ، اشتهر بور بمساهمته في فيزياء الكم ، وأينشتاين لمساهمته في نظرية النسبية وتكافؤ الطاقة والكتلة.

لقد غيّر معنى هذه المعادلة العالم كله. كما كتب آينشتاين نفسه:

ويترتب على نظرية النسبية الخاصة أن الكتلة والطاقة مظاهر مختلفة لشيء واحد. كان هذا المفهوم غير مألوف للشخص العادي.

وإليك أهم ثلاث نتائج لهذه المعادلة البسيطة.


الكواركات والعوارض القديمة والغلوونات في النموذج القياسي لها شحنة ألوان ، بالإضافة إلى جميع الخصائص الأخرى مثل الكتلة والشحنة الكهربائية. فقط الفلوونات والفوتونات ليس لها كتلة ؛ جميع الآخرين ، حتى النيوترينوات ، لديهم كتلة راحة غير صفرية.

حتى الجماهير الباقية لها طاقتها المتأصلة . في المدرسة ، درست جميع أنواع الطاقات - الميكانيكية والكيميائية والكهربائية والحركية. كل هذه الأنواع من الطاقات متأصلة في تحريك أو تفاعل الأجسام ، ويمكن استخدام هذه الأشكال من الطاقة لأداء العمل ، على سبيل المثال ، لبدء تشغيل المحرك أو إضاءة المصباح أو طحن الحبوب إلى دقيق. لكن حتى الكتلة العادية من الراحة لها طاقتها المتأصلة: وكمية هائلة. وهذا يؤدي إلى نتيجة مذهلة: يجب أن تعمل الجاذبية التي تنشأ بين أي كتلتين في الكون النيوتوني أيضًا على أساس الطاقة المعادلة للكتلة وفقًا للمعادلة E = mc ² .


إن تكوين أزواج من الجسيمات من المادة / المادة المضادة من الطاقة النقية (يسار) هو رد فعل قابل للعكس تمامًا (يمين) ، لأن المادة والمادة المضادة يمكن أن تبدد ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة النقية. تخضع عملية الخلق والإبادة للمعادلة E = mc ² ، وهي الطريقة الوحيدة المعروفة لإنشاء وتدمير المادة والمادة المضادة.

يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة نظيفة . هذه هي القيمة الثانية للمعادلة ، و E = mc ² تخبرنا بالضبط مقدار الطاقة التي يمكن الحصول عليها عن طريق تحويل الكتلة. مقابل كل كيلوغرام من الكتلة المحولة إلى طاقة ، تحصل على 9 × 10 ¹⁶ جول من الطاقة ، وهو ما يعادل 21 ميغا طن من مادة TNT. ملاحظة التحلل الإشعاعي ، أو تفاعلات الانشطار أو الانصهار للنوى ، يمكن ملاحظة أن الكتلة الناتجة أقل من الأولية ؛ قانون حفظ الكتلة لا يعمل. لكن الفرق يساوي كمية الطاقة المحررة! وينطبق ذلك على جميع الحالات ، من انحلال اليورانيوم والقنابل الذرية إلى الاندماج النووي في القلب الشمسي وإبادة الجسيمات / المادة المضادة. يتم تحويل الكتلة المدمرة إلى طاقة ، ويتم حساب مقدارها بالصيغة E = mc ² .


آثار الجسيمات الناتجة عن التصادمات عالية الطاقة في Large Hadron Collider، 2014. تتحلل الجسيمات المركبة إلى مكونات تنتشر في الفضاء ، ولكن تظهر جزيئات جديدة أيضًا بسبب الطاقة المتاحة في التصادم.

يمكن استخدام الطاقة لخلق كتلة من لا شيء تقريبًا - فقط من الطاقة النقية . القيمة الأخيرة من الصيغة هي الأكثر تميزًا. إذا كنت تأخذ كرتي بلياردو وقمت بدفعهما معًا بقوة ، فسيكون الناتج كرتين بلياردو. إذا أخذت فوتونًا وإلكترونًا وقمت بدفعهما معًا ، فستحصل على فوتون وإلكترون. ولكن إذا اصطدمت بهم بطاقة عالية بما فيه الكفاية ، فستحصل على فوتون وإلكترون وزوج جديد من جزيئات المادة / المادة المضادة. بعبارة أخرى ، يمكنك إنشاء جزيئين ضخمين جديدين:

• جزء من المادة ، على سبيل المثال ، إلكترون ، بروتون ، نيوترون ، وما شابه ،
• جزيء المادة المضادة ، على سبيل المثال ، بوزيترون ، مضاد بروتون ، antineutron ، إلخ.

والتي ستظهر فقط إذا تم استثمار طاقة كافية في التجربة. هذه هي الطريقة التي تبحث بها المعجلات ، مثل LHC في CERN ، عن جزيئات عالية الطاقة غير مستقرة جديدة (مثل بوزون Higgs أو الكوارك العلوي): إنشاء جسيمات جديدة من الطاقة النقية. تنشأ الكتلة الناتجة من الطاقة المتاحة: m = E / c ² . وهذا يعني أيضًا أن عمر الجسيم محدود ، نظرًا لمبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ ، فإنه يتميز بعدم اليقين الجماعي ، نظرًا لأن δE δt ~ ℏ ، وبالتالي فإن ميكرومتر المقابل يتبع من معادلة أينشتاين. عندما يتحدث الفيزيائيون عن عرض الجسيم ، فإنهم يعنون هذا الشك الجماعي الشامل.


انحناء الزمكان بواسطة كتل الجاذبية في صورة عالم النسبية العامة

قاد تكافؤ الطاقة والكتلة أيضًا آينشتاين إلى إنجاز كبير مثل النظرية النسبية العامة. تخيل أن لديك جسيم المادة وجزيء المادة المضادة ، مع نفس الكتل المتبقية. يمكن القضاء عليها ، وسوف تتحول إلى فوتونات بطاقة معينة ، وفقًا للصيغة E = mc ² بالضبط. تخيل الآن أن هذا الزوج من الجسيمات / الجسيمات يتحرك بسرعة ، كما لو كان يسقط إلينا من الفضاء البعيد ، ثم يبيد بالقرب من سطح الأرض. ستحتوي هذه الفوتونات على طاقة إضافية - ليس فقط E من E = mc ² ، ولكن أيضًا E إضافية ، الطاقة الحركية المكتسبة بسبب السقوط.


إذا كان هناك شيئان من المادة والمادة المضادة ، في حالة راحة ، فادحا ، فسوف يتحولان إلى فوتونات ذات طاقة محددة للغاية. إذا ظهرت هذه الفوتونات بعد سقوطها في مجال الجاذبية ، فإن طاقتها ستكون أعلى. هذا يعني أنه يجب أن يكون هناك تحول جاذبية أحمر أو أزرق ، لم يتنبأ به جاذبية نيوتن - وإلا فلن يتم الحفاظ على الطاقة.

إذا كان يجب الحفاظ على الطاقة ، فيجب أن يكون الإزاحة الحمراء (والأزرق) الجاذبية حقيقية. لا توجد وسيلة لجاذبية نيوتن لتفسير هذا التأثير ، ولكن في النسبية العامة لأينشتاين ، يعني انحناء الفضاء أن الوقوع في مجال الجاذبية يضيف طاقة لك ، وترك مجال الجاذبية يجعلك تهدر الطاقة. اتضح أن العلاقة الكاملة والعامة لأي جسم متحرك ليست E = mc ² ، ولكن E ² = m ² c ⁴ + p ² c ² (حيث p هو الزخم). وفقط من خلال تلخيص جميع المعلومات ، بما في ذلك الطاقة والزخم والجاذبية في الوصف ، يمكنك وصف الكون حقًا.


عندما يغادر الكم الإشعاعي مجال الجاذبية ، فإن تردده يمر بانزياح أحمر بسبب الحفاظ على الطاقة ؛ عندما يقع في الميدان ، يجب أن يعاني من تحول أزرق. وهذا منطقي فقط إذا كانت الجاذبية لا ترتبط بالكتلة فحسب ، بل أيضًا بالطاقة.

أعظم معادلة أينشتاين ، E = mc ² ، هي انتصار لقوة وبساطة الفيزياء الأساسية. المادة لها طاقتها المتأصلة ، يمكن تحويل الكتلة (في ظل ظروف معينة) إلى طاقة نقية ، ويمكن استخدام الطاقة لإنشاء أجسام ضخمة لم تكن موجودة من قبل. تتيح لنا طريقة التفكير هذه الفرصة لاكتشاف الجسيمات الأساسية التي يتكون منها كوننا ، وابتكار الطاقة النووية والأسلحة النووية ، واكتشاف نظرية الجاذبية التي تصف تفاعل جميع الأجسام في الكون. كان مفتاح إيجاد هذه المعادلة تجربة فكرية متواضعة تستند إلى افتراض بسيط: الحفاظ على الطاقة والزخم. الباقي هو نتيجة حتمية لخطة عمل الكون.