Влияет ли снижение температуры на массу E=mc2E=mc2E=mc^2?

Ответ заключается в том, что снижение температуры действительно уменьшает массу, хотя в большинстве случаев это изменение чрезвычайно мало. Температура — это макроскопическое явление, поэтому нельзя говорить о температуре отдельной струны или атома. Однако рассмотрим следующую аналогию:

Если у вас есть изолированная струна (или атом) в каком-то возбужденном состоянии, то для релаксации в более низкое энергетическое состояние она должна испустить фотон или, наоборот, чтобы перейти в более возбужденное состояние, она должна поглотить фотон. Как обсуждалось в вопросе, увеличивается ли масса тела, поглощающего фотоны? испуская или поглощая фотоны, меняет свою массу.

Для макроскопического объекта аргумент немного тоньше. В макроскопических объектах температура обычно является мерой кинетической энергии вибрирующих атомов в вашей системе. Когда вы вычисляете гравитационное поле объекта, вы, вероятно, привыкли использовать закон Ньютона . Однако общая теория относительности говорит нам, что источником поля является объект, называемый тензором энергии-импульса . Это включает в себя массу покоя объекта (ов), но также включает импульс и давление. Температура увеличивает импульс атомов в вашем материале, что способствует увеличению гравитационного поля.

Вы, кажется, немного усложнили этот вопрос, вам не нужно идти дальше теории относительности, чтобы найти ответ. Тепло — это просто хаотическое движение на молекулярном и субмолекулярном уровне, и, поскольку теория относительности диктует, что любой объект, движущийся относительно наблюдателя, будет казаться этому наблюдателю иметь большую массу с большей относительной скоростью, тепло естественным образом увеличивает массу.

Термическая (статистическая) квантовая теория поля говорит нам, что температура действительно влияет на массу. Одной частице можно приписать так называемую тепловую массу, возникающую в результате взаимодействия с термостатом. В этих рамках можно вычислить поправки к собственной энергии частиц, возрастающие с температурой.

Отвечая на ваш вопрос прямо: снижение температуры приводит к уменьшению массы.

Более подробную информацию можно найти в конспектах лекций по теории теплового поля, например, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0105183 или http://hep.itp.tuwien.ac.at/~aschmitt/thermal13.pdf .

Важное примечание к другим ответам на данный момент: фактическая масса отдельной частицы ( масса покоя , как ее обычно называют) не изменяется , если температура повышается (под температурой я подразумеваю массу окружающей среды, поскольку температура является макроскопическая величина).

Масса (остатка) частицы равна$m$в

Даже в макроскопическом объекте масса$m$каждой отдельной частицы не меняется при повышении температуры объекта. Что меняется, так это величина импульса$|\mathbf{p}|$каждой частицы. Так что масса не меняется.

Однако, как объясняет Джон Ренни в своем ответе, общая теория относительности учит нас тому, что гравитация связана не только с массой (помните, что это просто форма энергии), она связана со всеми формами энергии . Таким образом, тепловая энергия, которую объект получает при нагревании, хотя и не увеличивает его массу, заставляет его гравитационно взаимодействовать сильнее.

Теперь я скрупулезно использую термин « масса» в смысле массы покоя, чтобы прояснить, что меняется при повышении/понижении температуры. Конечно, масса и энергия на самом деле могут использоваться взаимозаменяемо, потому что масса — это просто энергия. Или энергия на самом деле просто масса, если хотите. Также в этом смысле вы услышите, как люди заявляют, что большая часть вашей личной массы возникает не из-за поля БЭХ , а из-за энергии связи атомов в вашем теле и тому подобного.

Следовать за

Почему (или каким образом) масса является просто формой энергии? Что ж, ответ на этот вопрос точно не «потому что так сказал Эйнштейн». Это из-за Хиггсфилда (поля BEH). Поле BEH имеет ненулевое вакуумное математическое ожидание или vev (в основном: оно нигде и никогда не равно нулю, даже если вокруг ничего нет).

Идея состоит в том, что каждая элементарная частица сама по себе не имеет массы. Это нормально, потому что благодаря Эйнштейну мы знаем, что масса — это энергия, а энергия нуждается в каком-то источнике/причине. Теперь (почти) каждая частица соединяется с полем БЭХ, и энергия взаимодействия этой связи в основном представляет собой массу частицы. Поскольку vev поля BEH не равно нулю, от него никуда не деться: если вы соединитесь с полем BEH, вы станете массивным.

Итак, чтобы объединить два понятия массы: масса покоя невзаимодействующей частицы - это масса БЭХ. Когда он начинает взаимодействовать, например, с электромагнитным полем, он получает энергию, которую можно интерпретировать как увеличение массы из-за взаимозаменяемости массы и энергии. Но помните, что его масса покоя не изменилась.

Вы можете просто думать об этом в терминах специальной теории относительности. В общем,$E = \sqrt{p^2c^2+m^2c^4}$, где$m$— инвариантная масса частицы. Как следует из названия, инвариантная масса частицы не меняется. Это свойство, связанное с частицей. Это масса частицы, измеренная в системе покоя. Что меняется с температурой, так это импульс,$p$, и это влияет$E$. Теперь, если масса, о которой вы говорите, является не инвариантной массой, а релятивистской массой, скажем$m_{r}$, это Лоренц, усиленный множителем$\gamma$ $(= \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{p^2}{m^2c^2}}})$для инерциального наблюдателя, движущегося со скоростью$v$относительно системы покоя частицы так, что$E = \gamma mc^2 = m_rc^2$Таким образом, если снижение температуры подразумевает уменьшение указанной скорости, релятивистская масса частицы на любом снимке, как ее видит указанный наблюдатель, в среднем уменьшается с уменьшением температуры.