Как масса покоя превращается в энергию?

Если я правильно читаю, я думаю, что ваш главный вопрос:

Почему только небольшой процент массы покоя превращается в энергию [даже для термоядерного синтеза]?

Это потому, что Вселенная очень строго придерживается определенного небольшого набора правил сохранения, и определенные комбинации этих правил делают обычную материю чрезвычайно стабильной. То, почему эти правила так строго соблюдаются в одних случаях и менее строго в других, просто наблюдается экспериментально. Но хорошо, что эти правила сохранения существуют, иначе мы, возможно, не говорили бы о них здесь. Вместо этого Вселенная в лучшем случае была бы не чем иным, как огромным бесструктурным шаром свободной энергии.

Эти законы сохранения чаще всего выражаются в виде пар свойств, которые компенсируют друг друга. Однако каждое из этих парных свойств по отдельности чрезвычайно стабильно и не может быть просто «отменено» или удалено из нашей вселенной. Примеры включают: электрический заряд, для которого вы можете создать одинаковое количество положительного и отрицательного заряда вместе , но никогда по отдельности; линейный импульс, для которого Ньютон определил сохранение спаривания, отметив, что «для каждой реакции существует равная и противоположная реакция; и угловой момент, где один пример спаривания возникает, если вы пытаетесь слишком быстро повернуться, сидя на вращающемся сиденье, что может привести к тому, что сиденье будет вращаться в направлении, противоположном тому, которое вы намеревались.

Частицы, из которых состоит обычная материя, подчиняются некоторым дополнительным, более тонким правилам сохранения, описывающим математическую структуру частиц. Эти правила охватываются Стандартной моделью физики элементарных частиц, но, к сожалению, не выражены так, чтобы их было легко понять .

Тем не менее, я попытаюсь использовать одну несколько рискованную геометрическую аналогию, чтобы объяснить чистое влияние сохраняющихся математических структур Стандартной модели. Возьмите короткий стержень и намотайте на него несколько петель проволоки в виде спирали, зафиксировав концы, чтобы они не скользили. Получившаяся структура будет либо левосторонней, либо правосторонней, в зависимости от того, как вы намотали проволоку. Заметьте также, что за исключением разматывания, направление намотки (левое или правое) провода стало постоянной характеристикой того, что вы создали, в том смысле, что вы не можете удалить его, кроме как явным образом размотав его.

Теперь поместите два таких стержня встык, один с левосторонней катушкой, а другой с правосторонней, спаивая концы проводов вместе в местах их соприкосновения. Теперь у вас совершенно другая ситуация, так как если вы сильно потянете за концы этой новой комбинированной катушки, две катушки разомкнутся, и проволока станет прямой . Две ваши «структуры» (левое и правое витки) фактически компенсируют друг друга.

Увы, в Стандартной модели вы не найдете таких простых структур. Тем не менее, возможно, подобная идея применима и здесь, хотя и в более абстрактной форме.

То есть частица обычной материи в стандартной модели также «застряла» в абстрактной структуре, которую нельзя отменить, не получив предварительно доступ к «зеркальному отображению» структуры в другой подобной частице. Подобно витку проволоки вокруг стержня, это абстрактное структурное свойство каждой такой частицы сохраняется до тех пор, пока частицы остаются изолированными друг от друга. Но когда такие разрушающие структуру частицы встречаются, остальная масса обоих может быть высвобождена, и уравнение$E=mc^2$становится полностью применимым.

Частицы с математически сокращающейся структурой вполне уместно называются античастицами , и в больших количествах они образуют антивещество . Таким образом, можно также сказать, что масса покоя столь же «доступна» для$E=mc^2$использовать как любую другую форму потенциальной энергии, но что любопытное отсутствие больших количеств антиматерии в видимой Вселенной в конечном итоге защищает остальную массу обычной материи в большинстве случаев.

Как масса покоя объекта превращается в энергию? Эта статья объясняет ответ. Я не резюмировал это, потому что мне пришлось бы цитировать огромные части статьи. Да, это связано с физикой элементарных частиц, предполагает, что массу покоя можно рассматривать как своего рода потенциальную энергию и кажется своего рода запертой энергией.

Почему только небольшой процент массы покоя превращается в энергию? Почему не все. Что определяет, сколько массы покоя преобразуется в энергию? Я думаю, вы имеете в виду энергию связи. «Эта ядерная энергия связи (энергия связи нуклонов в нуклид) является производной ядерной силы (остаточного сильного взаимодействия и представляет собой энергию, необходимую для разборки ядра на такое же количество свободных, несвязанных нейтронов и протонов, из которых оно состоит, так что нуклоны достаточно далеко друг от друга, так что ядерная сила больше не может заставлять частицы взаимодействовать», — цитата из Википедии .

Как масса покоя объекта превращается в энергию?

Масса покоя не может превратиться в энергию. Что такое масса покоя? Грубо говоря, масса — это инерция объекта, сила, деленная на ускорение. Оказывается, инерция объекта точно пропорциональна энергии. Разве это не то, что$E = mc^2$говорит? В любой момент времени инерция (масса) объекта равна его потенциальной плюс кинетическая энергия, деленная на$c^2$.

Не предполагает ли это, что массу покоя можно рассматривать как своего рода потенциальную энергию?

Масса покоя – это энергия. Большая часть массы во Вселенной возникает в результате взаимодействия кварков с глюонным полем (кинетическая и потенциальная энергии), часть — в результате взаимодействия элементарных частиц с полем Хиггса (неподвижная энергия) и т. д. Все это придает объектам инерцию. Однако электрическая потенциальная энергия также придает объектам инерцию. Так же как и тепловая энергия и обычная кинетическая энергия. Просто их не так много в мире, поэтому трудно заметить их влияние на инерцию чего-либо. (Энергия, заключенная в атоме, очень стабильна и огромна, поэтому кажется, что это единственная причина инерции.)

Итак, то, что вы называете превращением массы в энергию, на самом деле является энергией глюонного поля, превращающейся в тепловую, световую и звуковую энергию. В любом случае, это все равно масса, поскольку вся энергия есть масса. Или, лучше сказать, масса — это свойство энергии. Спрашивать, как масса превращается в энергию, все равно что спрашивать, как зелень в чайном пакетике превращается в чай. Сначала это был чай, и он все еще зеленый.

Релятивистская масса «приобретается», когда объект движется со скоростью, сравнимой со скоростью света. Масса покоя — это присущая масса чего-либо независимо от скорости, с которой оно движется.

Масса покоя включает в себя кинетическую энергию, но включает только относительное движение. Например, если два шара движутся с одинаковой скоростью, их движение не влияет на массу покоя. Однако, если они движутся навстречу друг другу, независимо от того, какую систему отсчета вы выберете, существует относительное движение, поэтому кинетическая энергия вносит свой вклад в массу покоя. Кроме того, технически инерция — это релятивистская масса, пропорциональная полной энергии. Однако раздражает, что это зависит от системы отсчета, поэтому мы обычно используем массу покоя.

Что касается остальных вопросов, то другие ответы дают вполне адекватные пояснения.

Прежде чем рассматривать, как масса покоя объекта превращается в энергию, необходимо рассмотреть, что такое релятивистская масса. Релятивистская масса выражается уравнением (1) и уравнением (2). Масса (M) состоит из бесчисленных релятивистских масс, которые обладают кинетической энергией и малыми массами покоя, как это выражается уравнением (2). vi - скорость отдельной массы (mi). Когда релятивистская масса (M) движется, это выражается уравнением (1). Когда он находится в состоянии покоя, М превращается в Мо. Однако мы должны помнить, что масса покоя (Мо) состоит из движущихся масс.

На рис. 1 показано, что масса (M) движется с репрезентативной скоростью V в стандартной инерциальной системе отсчета-а. P(=MV) также является репрезентативным импульсом. Когда M наблюдается из кадра-b, Mo находится в состоянии покоя в кадре-b. Уравнение (3) показывает, что Мо состоит из множества малых релятивистских масс. vi' - скорость отдельной массы (mi') в системе координат b. В реальном мире масса (Mo) состоит из движущихся молекул, и ее общий импульс равен нулю, хотя внутренний импульс (pi = mi'vi') не равен нулю.

Когда часть кинетической энергии внутри Мо уменьшается при столкновении с внешним объектом, внутренняя кинетическая энергия передается в виде видимой кинетической энергии. Мо все еще имеет много оставшейся кинетической энергии. Согласно уравнению (3), если индивидуальная скорость v' уменьшается, Mo также уменьшается. Это означает, что часть энергии покоя Мо переходит в видимую кинетическую энергию. Таким образом, создается впечатление, что из Мо исчезло вещество в массе покоя. Не только ядерная реакция, но и химическая реакция также превращает часть массы в энергию. Пока масса покоя имеет внутренний импульс, есть место для высвобождения кинетической энергии.

vi' обычного материала намного меньше, чем элементарная частица. Затем dMo мало, потому что vi' первоначально близко к нулю, даже если vi' уменьшить до 0. Чтобы превратить большое количество Mo в видимую энергию, mio ​​также необходимо превратить в энергию. Уравнения (4), (5), (6), (7) показывают, что повторяющееся разложение позволяет превратить массу покоя (Mo) в энергию. Наконец, материал можно превратить в фотонную энергию.

Не забывайте следующий факт. Комбинированная масса, состоящая из релятивистских масс и образующая нулевой импульс, является своего рода массой покоя (Mo, mio, .... и т. д.).

См. подробное объяснение на веб-сайте. миядзифизика.info