Tiga makna persamaan Einstein yang paling terkenal

Einstein menampilkan STO di depan audiens; 1934.

Selama ratusan tahun dalam fisika ada hukum abadi yang tidak pernah diragukan: dalam setiap reaksi yang terjadi di Semesta, massa dipertahankan. Tidak masalah bahan apa yang digunakan, reaksi apa yang telah terjadi, dan apa yang terjadi - jumlah dari apa yang Anda mulai dan jumlah apa yang Anda hasilkan akan memiliki bobot yang sama. Tetapi menurut hukum teori relativitas khusus, massa tidak dapat menjadi kuantitas yang dilestarikan, karena berbagai pengamat tidak setuju tentang berapa banyak energi yang dimiliki sistem. Alih-alih, Einstein dapat menurunkan hukum yang masih kita gunakan sampai sekarang, didorong oleh salah satu persamaan paling sederhana dan paling kuat: E = mc ² .


Sebuah roket nuklir sedang dipersiapkan untuk pengujian pada tahun 1967. Roket itu berfungsi untuk mengubah massa menjadi energi, E = mc ² .

Persamaan Einstein paling terkenal hanya memiliki tiga komponen:

1. E , atau energi, sepenuhnya menempati satu bagian dari persamaan, dan mewakili total energi sistem.
2. m , massa yang terkait dengan energi melalui faktor konversi.
3. c ² , kuadrat dari kecepatan cahaya adalah faktor yang diperlukan untuk memastikan kesetaraan massa dan energi.

Niels Bohr dan Albert Einstein mendiskusikan banyak topik di rumah Paul Ehrenfest pada tahun 1925. Debat Bohr dengan Einstein adalah faktor yang paling berpengaruh selama pengembangan mekanika kuantum. Hari ini, Bohr terkenal karena kontribusinya terhadap fisika kuantum, dan Einstein atas kontribusinya pada teori relativitas dan kesetaraan energi dan massa.

Arti persamaan ini telah mengubah seluruh dunia. Seperti Einstein sendiri menulis:

Ini mengikuti dari teori relativitas khusus bahwa massa dan energi adalah manifestasi berbeda dari satu hal. Konsep ini tidak dikenal oleh orang kebanyakan.

Dan inilah tiga konsekuensi paling penting dari persamaan sederhana ini.


Quark, antiquark, dan gluon dari Model Standar memiliki muatan warna, selain semua properti lainnya seperti muatan massa dan listrik. Hanya gluon dan foton yang tidak memiliki massa; semua yang lain, bahkan neutrino, memiliki massa istirahat yang tidak nol.

Bahkan massa yang beristirahat memiliki energi yang melekat . Di sekolah, Anda mempelajari semua jenis energi - mekanik, kimia, listrik, kinetik. Semua jenis energi ini melekat dalam menggerakkan atau bereaksi benda, dan bentuk energi ini dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan, misalnya untuk menyalakan mesin, menyalakan bohlam, atau menggiling biji-bijian menjadi tepung. Tetapi bahkan massa istirahat biasa memiliki energi yang melekat: dan jumlah yang sangat besar. Ini mengarah pada konsekuensi yang luar biasa: gravitasi yang muncul antara dua massa di alam semesta Newton juga harus bekerja berdasarkan energi yang setara dengan massa menurut persamaan E = mc ² .


Menciptakan pasangan partikel dari materi / antimateri dari energi murni (kiri) adalah reaksi yang sepenuhnya dapat dibalikkan (kanan), karena materi dan antimateri dapat memusnahkan, sehingga menimbulkan energi murni. Proses penciptaan dan pemusnahan ini mematuhi persamaan E = mc ² , dan merupakan satu-satunya cara yang diketahui untuk membuat dan menghancurkan materi dan antimateri.

Massa dapat diubah menjadi energi bersih . Ini adalah nilai kedua dari persamaan, dan E = mc ² memberi tahu kita dengan tepat berapa banyak energi yang bisa diperoleh dengan mengubah massa. Untuk setiap kilogram massa yang diubah menjadi energi, Anda mendapatkan energi 9 × 10 ¹⁶ J, yang setara dengan 21 megaton TNT. Mengamati peluruhan radioaktif, atau reaksi fisi atau fusi inti, dapat dilihat bahwa massa yang dihasilkan kurang dari yang awal; hukum kekekalan massa tidak berfungsi. Tetapi perbedaannya sama dengan jumlah energi yang dilepaskan! Ini bekerja untuk semua kasus, dari peluruhan uranium dan bom atom hingga fusi nuklir di inti matahari dan penghancuran partikel materi / antimateri. Massa yang hancur dikonversi menjadi energi, yang jumlahnya dihitung dengan rumus E = mc ² .


Jejak partikel yang dihasilkan oleh tumbukan berenergi tinggi di Large Hadron Collider, 2014. Partikel komposit membusuk menjadi komponen yang tersebar di ruang angkasa, tetapi partikel baru juga muncul karena energi yang tersedia dalam tumbukan.

Energi dapat digunakan untuk membuat massa dari apa pun - hanya dari energi murni . Nilai terakhir dari rumus adalah yang paling menonjol. Jika Anda mengambil dua bola bilyar dan mendorongnya dengan kuat, maka hasilnya adalah dua bola bilyar. Jika Anda mengambil foton dan elektron dan mendorongnya bersama, Anda mendapatkan foton dan elektron. Tetapi jika Anda menabraknya dengan energi yang cukup tinggi, Anda mendapatkan foton, elektron, dan sepasang partikel materi / antimateri baru. Dengan kata lain, Anda dapat membuat dua partikel besar baru:

• partikel materi, misalnya, elektron, proton, neutron, dan sejenisnya,
• partikel antimateri, misalnya, positron, antiproton, antineutron, dll.

yang akan muncul hanya jika energi yang cukup diinvestasikan dalam percobaan. Beginilah akselerator, seperti LHC di CERN, mencari partikel berenergi tinggi yang tidak stabil (seperti Higgs boson atau quark atas): membuat partikel baru dari energi murni. Massa yang dihasilkan muncul dari energi yang tersedia: m = E / c ² . Ini juga berarti bahwa waktu hidup partikel terbatas, karena prinsip ketidakpastian Heisenberg, itu ditandai oleh ketidakpastian massa, karena δE δt ~ ℏ, dan oleh karena itu correspondingm yang sesuai mengikuti dari persamaan Einstein. Ketika fisikawan berbicara tentang lebar partikel, itu berarti ketidakpastian massa internal ini.


Lengkungan ruangwaktu oleh massa gravitasi dalam pandangan dunia relativitas umum

Kesetaraan energi dan massa juga membawa Einstein pada pencapaian besar seperti teori relativitas umum. Bayangkan Anda memiliki partikel materi dan partikel antimateri, dengan massa istirahat yang sama. Mereka dapat dimusnahkan, dan mereka akan berubah menjadi foton dengan energi tertentu, persis sesuai dengan rumus E = mc ² . Sekarang bayangkan bahwa pasangan partikel / antipartikel ini bergerak cepat, seolah-olah jatuh kepada kita dari angkasa luar, dan kemudian musnah di dekat permukaan bumi. Foton ini akan memiliki energi tambahan - tidak hanya E dari E = mc ² , tetapi juga E tambahan, energi kinetik yang diperoleh karena jatuh.


Jika dua benda dari materi dan antimateri, yang diam, musnah, mereka akan berubah menjadi foton dari energi yang sangat pasti. Jika foton ini muncul setelah jatuh dalam medan gravitasi, energi mereka akan lebih tinggi. Ini berarti bahwa harus ada perubahan gravitasi merah atau biru, tidak diprediksi oleh gravitasi Newton - jika tidak energi tidak akan dilestarikan.

Jika energi harus dilestarikan, maka perpindahan gravitasi merah (dan biru) harus nyata. Tidak ada cara bagi gravitasi Newton untuk menjelaskan efek ini, tetapi dalam relativitas umum Einstein, kelengkungan ruang berarti bahwa jatuh ke medan gravitasi menambah energi bagi Anda, dan meninggalkan medan gravitasi menyebabkan Anda membuang energi. Ternyata hubungan lengkap dan umum untuk objek bergerak bukanlah E = mc ² , tetapi E ² = m ² c ⁴ + p ² c ² (di mana p adalah momentum). Dan hanya dengan merangkum semua informasi, termasuk energi, momentum, dan gravitasi dalam deskripsi, Anda dapat benar-benar menggambarkan Semesta.


Ketika sebuah kuantum radiasi meninggalkan medan gravitasi, frekuensinya mengalami pergeseran merah karena konservasi energi; ketika dia jatuh ke lapangan, dia harus mengalami perubahan biru. Dan ini masuk akal hanya jika gravitasi dikaitkan tidak hanya dengan massa, tetapi juga dengan energi.

Persamaan terbesar Einstein, E = mc ² , adalah kemenangan kekuatan dan kesederhanaan fisika fundamental. Materi memiliki energi yang melekat, massa dapat dikonversi (dalam kondisi tertentu) menjadi energi murni, dan energi dapat digunakan untuk membuat benda masif yang tidak ada sebelumnya. Metode refleksi ini memberi kita peluang untuk menemukan partikel fundamental yang membentuk alam semesta kita, menciptakan energi nuklir dan senjata nuklir, dan menemukan teori gravitasi yang menggambarkan interaksi semua benda di alam semesta. Kunci untuk menemukan persamaan ini adalah eksperimen pemikiran sederhana berdasarkan pada asumsi sederhana: konservasi energi dan momentum. Selebihnya merupakan konsekuensi tak terhindarkan dari skema kerja alam semesta.