आइंस्टीन के सबसे प्रसिद्ध समीकरण के तीन अर्थ

आइंस्टीन एक दर्शक के सामने एसटीओ प्रदर्शित करता है; 1934।

भौतिकी में सैकड़ों वर्षों तक एक अपरिवर्तनीय कानून था जिसमें कभी संदेह नहीं किया गया था: ब्रह्मांड में होने वाली किसी भी प्रतिक्रिया में द्रव्यमान संरक्षित होता है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि कौन सी सामग्री का उपयोग करना है, क्या प्रतिक्रिया हुई है, और क्या हुआ - आपके साथ जो शुरू हुआ था और जो आपके साथ समाप्त हुआ था उसका योग वजन में बराबर होगा। लेकिन सापेक्षता के विशेष सिद्धांत के नियमों के अनुसार, द्रव्यमान एक संरक्षित मात्रा नहीं हो सकता है, क्योंकि विभिन्न पर्यवेक्षक इस बात से असहमत हैं कि सिस्टम में कितनी ऊर्जा है। इसके बजाय, आइंस्टीन एक कानून को प्राप्त करने में सक्षम था जिसका उपयोग हम आज भी करते हैं, जो सबसे सरल और सबसे शक्तिशाली समीकरणों में से एक है: E = mc ² ।


एक परमाणु रॉकेट 1967 में परीक्षण के लिए तैयार किया जा रहा है। रॉकेट बड़े पैमाने पर ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए काम करता है, ई = एमसी ² ।

सबसे प्रसिद्ध आइंस्टीन समीकरण में केवल तीन घटक हैं:

1. ई , या ऊर्जा, पूरी तरह से समीकरण के एक हिस्से पर कब्जा कर रहा है, और सिस्टम की कुल ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है।
2. मी , एक रूपांतरण कारक के माध्यम से ऊर्जा से जुड़ा द्रव्यमान।
3. सी ² , प्रकाश की गति का वर्ग द्रव्यमान और ऊर्जा की समानता सुनिश्चित करने वाला एक आवश्यक कारक है।

नील्स बोह्र और अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1925 में पॉल एरेनफेस्ट के घर पर कई विषयों पर चर्चा की। आइंस्टीन के साथ बोह्र की बहस क्वांटम यांत्रिकी के विकास के दौरान सबसे प्रभावशाली कारक थी। आज, बोहर को क्वांटम भौतिकी में अपने योगदान के लिए जाना जाता है, और आइंस्टीन को सापेक्षता के सिद्धांत और ऊर्जा और द्रव्यमान की समानता में उनके योगदान के लिए जाना जाता है।

इस समीकरण के अर्थ ने पूरी दुनिया को बदल दिया है। जैसा कि आइंस्टीन ने खुद लिखा था:

यह सापेक्षता के विशेष सिद्धांत का अनुसरण करता है कि द्रव्यमान और ऊर्जा एक चीज की विभिन्न अभिव्यक्तियाँ हैं। यह अवधारणा औसत व्यक्ति के लिए अपरिचित थी।

और यहाँ इस सरल समीकरण के तीन सबसे महत्वपूर्ण परिणाम हैं।


स्टैंडर्ड मॉडल के क्वार्क, एंटीकार्क्स और ग्लून्स में द्रव्यमान और विद्युत आवेश जैसे अन्य सभी गुणों के अलावा एक रंग आवेश होता है। केवल ग्लून्स और फोटॉन का कोई द्रव्यमान नहीं है; अन्य सभी, यहां तक ​​कि न्यूट्रिनो, एक गैर-शून्य बाकी द्रव्यमान है।

यहां तक ​​कि आराम करने वाली जनता के पास अपनी अंतर्निहित ऊर्जा है । स्कूल में, आपने सभी प्रकार की ऊर्जाओं का अध्ययन किया - यांत्रिक, रासायनिक, विद्युत, गतिज। इन सभी प्रकार की ऊर्जाएं वस्तुओं को स्थानांतरित करने या प्रतिक्रिया करने में अंतर्निहित हैं, और ऊर्जा के इन रूपों का उपयोग कार्य करने के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एक इंजन शुरू करने के लिए, एक बल्ब को प्रकाश या आटे में अनाज को पीसने के लिए। लेकिन आराम के एक सामान्य द्रव्यमान में भी अपनी अंतर्निहित ऊर्जा होती है: और एक बड़ी राशि। यह एक अद्भुत परिणाम की ओर जाता है: न्यूटन के ब्रह्मांड में किन्हीं दो द्रव्यमानों के बीच उत्पन्न होने वाले गुरुत्वाकर्षण को समीकरण E = mc ^{2 के} अनुसार द्रव्यमान के बराबर ऊर्जा के आधार पर भी काम करना चाहिए।


शुद्ध ऊर्जा (बाएं) से पदार्थ / एंटीमैटर से कणों के जोड़े बनाना पूरी तरह से प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया (दाएं) है, क्योंकि पदार्थ और एंटीमैटर शुद्ध ऊर्जा को जन्म दे सकते हैं। निर्माण और सर्वनाश की यह प्रक्रिया समीकरण ई = एमसी ² का पालन करती है, और पदार्थ और एंटीमैटर बनाने और नष्ट करने का एकमात्र ज्ञात तरीका है।

द्रव्यमान को स्वच्छ ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है । यह समीकरण का दूसरा मूल्य है, और ई = एमसी ² हमें बताता है कि द्रव्यमान को परिवर्तित करके कितनी ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है। ऊर्जा में परिवर्तित प्रत्येक किलोग्राम द्रव्यमान के लिए, आपको ऊर्जा का 9 × 10 ¹⁶ जे मिलता है, जो कि टीएनटी के 21 मेगाटन के बराबर है। रेडियोधर्मी क्षय, या नाभिक के विखंडन या संलयन प्रतिक्रियाओं का अवलोकन करते हुए, यह देखा जा सकता है कि परिणामी द्रव्यमान प्रारंभिक से कम है; जन के संरक्षण का कानून काम नहीं करता है। लेकिन अंतर जारी ऊर्जा की मात्रा के बराबर है! यह सभी मामलों के लिए काम करता है, यूरेनियम और परमाणु बमों के क्षय से लेकर सौर कोर में परमाणु संलयन और पदार्थ / एंटीमैटर कणों के विनाश तक। नष्ट किए गए द्रव्यमान को ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जिसकी मात्रा सूत्र ई = एमसी ² द्वारा गणना की जाती है।


लार्ज हैड्रोन कोलाइडर, 2014 में उच्च-ऊर्जा टकरावों द्वारा उत्पन्न कणों के निशान। मिश्रित कण अंतरिक्ष में बिखरने वाले घटकों में क्षय होते हैं, लेकिन टक्कर में उपलब्ध ऊर्जा के कारण नए कण भी दिखाई देते हैं।

ऊर्जा का उपयोग वस्तुतः शुद्ध ऊर्जा से द्रव्यमान से द्रव्यमान बनाने के लिए किया जा सकता है । सूत्र का अंतिम मान सबसे उत्कृष्ट है। यदि आप दो बिलियर्ड गेंदों को लेते हैं और उन्हें दृढ़ता से एक साथ धक्का देते हैं, तो आउटपुट दो बिलियर्ड गेंदें होंगी। यदि आप एक फोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन लेते हैं और उन्हें एक साथ धक्का देते हैं, तो आपको एक फोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन मिलता है। लेकिन अगर आप उन्हें पर्याप्त रूप से उच्च ऊर्जा से टकराते हैं, तो आपको एक फोटॉन, इलेक्ट्रॉन और पदार्थ / एंटीमैटर के कणों की एक नई जोड़ी मिलती है। दूसरे शब्दों में, आप दो नए विशाल कण बना सकते हैं:

• पदार्थ का एक कण, उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और जैसे,
• एंटीमैटर का एक कण, उदाहरण के लिए, एक पॉज़िट्रॉन, एंटीप्रोटन, एंटीन्यूट्रॉन, आदि।

जो तभी दिखाई देगा जब प्रयोग में पर्याप्त ऊर्जा का निवेश किया जाएगा। यह कैसे त्वरक है, जैसे कि CERN में LHC, नए, अस्थिर उच्च-ऊर्जा कणों (जैसे हिग्स बोसॉन या ऊपरी क्वार्क) की तलाश में हैं: शुद्ध ऊर्जा से नए कणों का निर्माण। परिणामी द्रव्यमान उपलब्ध ऊर्जा से उत्पन्न होता है: एम = ई / सी ² । इसका अर्थ यह भी है कि कण का जीवन समय सीमित है, क्योंकि हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत के कारण, यह बड़े पैमाने पर अनिश्चितता की विशेषता है, क्योंकि यह ℏE ~t ~ ℏ है, और इसलिए आइंस्टीन के समीकरण से संबंधित fromm इस प्रकार है। जब भौतिक विज्ञानी एक कण की चौड़ाई के बारे में बात करते हैं, तो उनका मतलब है कि यह आंतरिक द्रव्यमान अनिश्चितता है।


सामान्य सापेक्षता की दुनिया की तस्वीर में गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान द्वारा स्पेसटाइम की वक्रता

ऊर्जा और द्रव्यमान की समानता ने आइंस्टीन को सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत के रूप में इतनी बड़ी उपलब्धि के लिए भी प्रेरित किया। कल्पना कीजिए कि आपके पास द्रव्य का एक कण और एंटीमैटर का एक कण है, जिसमें एक ही बाकी द्रव्यमान है। उनका सत्यानाश किया जा सकता है, और वे एक निश्चित ऊर्जा के साथ फोटोन में बदल जाएंगे, बिल्कुल फॉर्मूला ई = एमसी ^{2 के अनुसार} । अब कल्पना करें कि यह कण / एंटीपार्टिकल पेयर तेजी से आगे बढ़ता है, जैसे कि गहरे अंतरिक्ष से हमारे पास गिरता है, और फिर पृथ्वी की सतह के पास नष्ट हो जाता है। इन फोटॉनों में अतिरिक्त ऊर्जा होगी - न केवल E = mc ^{2 से} , बल्कि अतिरिक्त E से भी, गति के कारण अधिग्रहीत ऊर्जा ऊर्जा।


यदि पदार्थ और एंटीमैटर से दो वस्तुएं, आराम पर होने के कारण, सत्यानाश करती हैं, तो वे एक निश्चित ऊर्जा के फोटॉन में बदल जाएंगे। यदि ये फोटॉन किसी गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में गिरने के बाद दिखाई देते हैं, तो उनकी ऊर्जा अधिक होगी। इसका मतलब यह है कि गुरुत्वाकर्षण लाल या नीली पारी होनी चाहिए, न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण की भविष्यवाणी नहीं - अन्यथा ऊर्जा का संरक्षण नहीं किया जाएगा।

यदि ऊर्जा को संरक्षित करना है, तो गुरुत्वाकर्षण लाल (और नीला) विस्थापन वास्तविक होना चाहिए। इस प्रभाव को समझाने के लिए न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण का कोई रास्ता नहीं है, लेकिन आइंस्टीन सामान्य सापेक्षता में, अंतरिक्ष की वक्रता का मतलब है कि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में गिरने से आप में ऊर्जा आती है, और गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को छोड़ने से आपको ऊर्जा मिलती है। यह पता चला है कि किसी भी गतिशील वस्तु के लिए पूर्ण और सामान्य संबंध ई = एमसी ^{2 नहीं है} , लेकिन ई ² = एम ² सी ⁴ + पी ² सी ² (जहां पी गति है)। और केवल विवरण में ऊर्जा, गति और गुरुत्वाकर्षण सहित सभी जानकारी को संक्षेप में प्रस्तुत करके, आप वास्तव में ब्रह्मांड का वर्णन कर सकते हैं।


जब एक विकिरण क्वांटम गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र छोड़ता है, तो इसकी आवृत्ति ऊर्जा संरक्षण के कारण एक रेडशिफ्ट का अनुभव करती है; जब वह मैदान में उतरता है, तो उसे एक नीली पारी का अनुभव करना चाहिए। और यह तभी समझ में आता है जब गुरुत्वाकर्षण न केवल द्रव्यमान के साथ जुड़ा होता है, बल्कि ऊर्जा के साथ भी।

आइंस्टीन का सबसे बड़ा समीकरण, ई = एमसी ² , मौलिक भौतिकी की शक्ति और सरलता की विजय है। पदार्थ की अपनी अंतर्निहित ऊर्जा होती है, द्रव्यमान को (कुछ शर्तों के तहत) शुद्ध ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है, और ऊर्जा का उपयोग बड़े पैमाने पर वस्तुओं को बनाने के लिए किया जा सकता है जो पहले मौजूद नहीं थे। प्रतिबिंब की यह विधि हमें उन मूलभूत कणों की खोज करने का अवसर देती है जो हमारे ब्रह्मांड को बनाते हैं, परमाणु ऊर्जा और परमाणु हथियारों का आविष्कार करते हैं, और गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत की खोज करते हैं जो ब्रह्मांड में सभी वस्तुओं की बातचीत का वर्णन करता है। इस समीकरण को खोजने की कुंजी एक साधारण धारणा पर आधारित एक मामूली सोचा प्रयोग था: ऊर्जा और गति का संरक्षण। बाकी यूनिवर्स के काम की योजना का एक अनिवार्य परिणाम है।