Что мешает массе превратиться в энергию?

Это неизбежно будет неудовлетворительным ответом, потому что ваш вопрос намного сложнее, чем вы (вероятно) думаете. Я попытаюсь ответить в общих чертах, но вы должны понимать, что это бледная тень физики, описывающей эту область.

Так или иначе, Эйнштейн был первым, кто заметил, что энергия и масса эквивалентны, и вы, несомненно, слышали о его знаменитом уравнении.$E = mc^2$. В наши дни мы пишем это так:

куда$p$это импульс и$m$это масса покоя. Однако теория относительности не объясняет , как могут обмениваться материя и энергия. Для развития квантовой теории поля (сокращенно КТП) пришлось ждать несколько десятилетий .

Если вы никогда не сталкивались с QFT, вам покажется, что это очень странный взгляд на мир. Мы привыкли думать о таких частицах, как электроны, как об объектах, очень похожих на макроскопические объекты, за исключением того, что они меньше и размытее. Однако в КТП есть поле электрона, которое пронизывает всю вселенную, и то, что мы считаем электроном, является возбуждением в этом поле. Точно так же существует фотонное поле, и фотоны являются возбуждениями в фотонном поле. На самом деле все элементарные частицы являются возбуждениями в соответствующем им квантовом поле.

КТП объясняет преобразование материи в энергию, потому что вы можете, например, добавить энергию к полю электрона, чтобы возбудить его и таким образом создать электрон. С другой стороны, возбуждение в поле электрона, т. е. электрон, может исчезнуть, передав энергию чему-то другому. Так, например, в Большом адронном коллайдере встречаются два кварка с огромными кинетическими энергиями и они могут передать часть этой энергии в возбуждения различных квантовых полей, чтобы произвести ливень частиц.

Но это не может случиться никоим образом. КТП дает нам уравнения, описывающие, как кинетическая энергия частиц может возбуждать квантовые поля и тем самым создавать материю. Вот почему, возвращаясь к вашему вопросу, масса не может постоянно превращаться в энергию. Возбуждения квантового поля происходят только особым образом, описанным в квантовой теории поля.

И это, я думаю, все, что можно сказать на этом уровне.

Во-первых, масса – это энергия. Различия нет вообще. Не вся «масса» атома происходит от протонов/нейтронов/электронов, например, есть кусок, который происходит от потенциальной энергии — этот кусок фактически доминирует над массой составляющих.

Однако мы можем переформулировать ваш вопрос так: «Что мешает нуклонам превращаться в другие формы энергии?»

На самом деле вопрос в обратном: зачем массам хотеть меняться? Большинство изменений в физике требуют импульса; разность потенциалов или что-то подобное. Ничего этого здесь нет априори.

Кроме того, для этих переходов от массы к энергии обычно существуют высокоэнергетические переходные состояния, как в химических реакциях:

Чтобы получить конечный продукт, необходимо предоставить достаточно энергии для достижения и преодоления переходного состояния. Примером этого является ядерный синтез: чтобы достичь конечного состояния, нужно сначала достаточно сблизить ядра, что требует значительных затрат энергии.

Нуклоны сами по себе имеют очень долгий период полураспада, поэтому, хотя они могут распадаться на другие частицы и энергию, этого не видно. Однако большинство других частиц имеют короткий период полураспада, и ничто не мешает им быстро распадаться на «энергию».

Я понимаю, что энергия и масса могут изменяться взад и вперед согласно Эйнштейну. Это жидкость; он может перейти от одного к другому. Так что же мешает массе просто превратиться в энергию? Есть ли какая-то сила, удерживающая субатомную частицу вместе? Что удерживает массу в ее состоянии?

Хорошо, вот версия экспериментатора:

Знаменитый генерал$E=mc^2$Связь энергии с массой при дальнейшем анализе показывает, что для элементарных частиц существует$m$это постоянная масса, называемая массой покоя: масса, когда частица не движется.

Мы наблюдали и измеряли эту эквивалентность массовой энергии бесчисленное количество раз. Мы организовали элементарные частицы в соответствии с их массой покоя в очень элегантную модель, описывающую данные, называемую стандартной моделью. . Все массы, которые мы наблюдаем, от ядер до звезд, состоят из этих элементарных частиц в иерархическом порядке, дающем тем больше и больше массы, чем больше ансамбль, который основан на приведенных выше уравнениях энергии.

Нуклоны, состоящие из кварков и глюонов, ядра, состоящие из нуклонов (протонов и нейтронов), атомы, состоящие из нуклонов и электронов, все стабильны (нуклоны могут иметь нестабильные изотопы) и составляют основу макроскопической стабильности масс. мы наблюдаем в макроскопическом мире, описанном классической физикой.

Что мешает атому схлопнуться в нейтральный шар массы/энергии, что дает замысловатые спектроскопические картины атомных спектров? Теория квантования возникла для объяснения этих данных и превратилась в квантовую механику, в отличие от классической механики. Основной результат теоретического моделирования заключается в том, что могут существовать только квантованные энергетические состояния, и электроны не могут падать на ядро, потому что это недопустимое энергетическое состояние.

Квантование объясняет периодическую таблицу элементов: протоны и нейтроны не коллапсируют в энергетический шар из-за стабильных энергетических уровней, допускаемых квантованием.

Кроме того, элементарные частицы однозначно характеризуются квантовыми числами. Было экспериментально обнаружено, что многие из них сохраняются во взаимодействиях. Таким образом, из законов сохранения и законов сохранения квантовых чисел существуют дополнительные запрещенные правила преобразования между энергией и массой.

Стабильность взаимодействия между массой и энергией, которую мы наблюдаем в макроскопическом мире, является результатом равновесия между законами сохранения и сохранением энергии-импульса в квантованных микроскопических системах.

Никакой силы, только правила сохранения и разрешенные состояния. Кварки в протоне не могут исчезнуть/коллапсировать друг в друга из-за сохранения квантового числа, они несут барионное число 1/3 или 2/3 и никогда не могут потерять его внутри протона, общее барионное число должно оставаться равным 1.

Дело не в том, что масса и энергия «могут меняться туда и обратно». Это буквально эквивалентные способы говорить об одном и том же (при условии, что частица не движется). Если что-то имеет массу, то оно также является энергией и наоборот. На самом деле масса частиц часто выражается в единицах энергии.

Ваш вопрос чем-то похож на вопрос: «Если что-то имеет скорость, что удерживает его от превращения в скорость?»

Насколько я понимаю, вся масса возникает из-за силы, которая соединяет кварки вместе, поскольку пустое пространство на самом деле не пусто, а в случае протона частица состоит из трех кварков, двух верхних и одного нижнего, они фактически используют энергию для создания пустое пространство между ними в поисках «равновесия», и, поскольку энергия, которая удерживает эти частицы, не просто никуда не уходит, она превращается в то, что мы называем массой, и такой взгляд на материю объясняет, почему масса и энергия — это всего лишь одна вещь, на которую смотрят. с двух точек зрения, добавляя к этому вес (действительно небольшой) кварков, который создается «взаимодействием» с ними поля Хиггса и может рассматриваться так, как если бы кварки были металлическими шариками, а поле сделано из меда. шары не останавливаются, но и не двигаются на полной скорости... надеюсь, я помог :)

Простой ответ - одно слово... энтропия! Нам нужно рассмотреть два типа энтропии: 1) универсальную и 2) локальную.

Универсальный - сразу после Большого Взрыва было "переизбыток" энергии, поэтому материя и энергия были "легко" взаимозаменяемы. Энергия стала материей, а материя стала энергией. По мере того, как объем Вселенной увеличивался, образовывались локальные участки, в которых количество доступной энергии было недостаточным для превращения материи обратно в энергию, поэтому материя начала существовать и заселять Вселенную до тех пор, пока не была израсходована большая часть энергии Вселенной.

Локальный - из-за гравитации со временем появляется достаточно локальной материи, которая сливается воедино и генерирует достаточно энергии, чтобы снова преобразовать материю в энергию (звезды), но поскольку объем Вселенной продолжает расширяться, настанет время, когда материя не сможет собраться в достаточной степени, чтобы повторить эту прозу.

Таким образом, для превращения энергии в материю требуется энергия, а для превращения материи в энергию требуется энергия. Если необходимая энергия не обеспечена, материя не будет «самопроизвольно» превращаться в энергию.