Возможно ли в принципе хранить энергию более эффективно (на кг), чем в виде антивещества?

Я не физик, но попробую ответить. В основном я переформулирую большую часть вашего вопроса и попытаюсь показать, почему антивещество является наиболее эффективным.

Как вы знаете, смесь вещества и антивещества массой 1 кг может реагировать с образованием энергии$e=mc^2$где$m=$1 кг. Принцип эквивалентности массы и энергии гласит, что выделяемая энергия также весит 1 кг .

Теперь давайте применим это к теоретическому маховику с неподвижной массой 1 кг. Если бы мы могли вращать этот маховик достаточно быстро, чтобы иметь энергию, эквивалентную 1 кг материи/антиматерии, тогда вращающийся маховик весил бы 2 кг (1 кг массы покоя + 1 кг кинетической энергии). Я думаю, что эти 2 кг называются релятивистской массой .

Теперь легко увидеть, что для того, чтобы любая батарея имела лучшую эффективность, чем материя/антиматерия, она должна иметь отрицательную массу, прежде чем к ней будет добавлена ​​(1 кг) энергии. Другими словами, «батарея» материи/антиматерии имела нулевую массу до того, как была добавлена ​​«энергия».

Следовательно, не может быть батареи, превышающей запас энергии материи/антиматерии.

Даже если вы создадите маховики из материи/антиматерии и раскрутите их, их масса будет увеличиваться по мере увеличения их вращения, что приведет к той же эффективности, что и у невращающихся маховиков.

Релятивистская энергия$E = \sqrt{p^2c^2 + m^2 c^4}$, так что в то время как неподвижные объекты без движущихся частей имеют верхнюю границу$E=mc^2$(например, взаимодействие материи и антиматерии), энергия движущегося объекта ограничена только импульсом,$p$. Релятивистский импульс,$p$, является$\frac{m v c}{\sqrt{c^2-v^2}}$. Это не имеет верхней границы. Как только объект движется быстрее, чем$\frac{c}{\sqrt{2}}$, он имеет больше кинетической энергии, чем масса-энергия. Чрезвычайно мощная дорожка в форме пончика может удерживать кольцо релятивистских частиц, когда они бегут вокруг, и эти частицы могут иметь плотность энергии без теоретического предела. Есть, конечно, практические соображения, которые делают это так же практически неработоспособным, как и антивещество.

Современные авторы в основном избегают понятия релятивистской массы, потому что оно сбивает с толку и приводит к неправильным представлениям. Чтобы их прояснить, потребовалось бы долгое и скучное обсуждение фреймов и наблюдателей. Для этих целей релятивистская масса — это математическая бухгалтерия, которую вы можете игнорировать.

Парадокс Эренфеста применим к твердым вращающимся дискам. Нет требования, чтобы вращающийся объект или набор объектов были твердыми или имели форму диска.

Существуют сотни форм хранения энергии. Изучение их всех, чтобы увидеть, какие различные массовые накладные расходы (как на хранение, так и на преобразование) потребуют вечности. Спросите о каждом в отдельности.

На большинство вопросов нужен более краткий ответ, а не более подробный , так что вот он:

Запасенная энергия эквивалентна массе.

Таким образом, мы никогда не сможем хранить больше энергии, чем масса , как уже подозревал ОП. Это просто очень фундаментальный факт о природе. Чтобы понять и принять это, можно изучить специальную теорию относительности.

Чтобы сделать еще несколько связей с исходным вопросом, обратите внимание на это:

1. Любая батарея, маховик или другое устройство будет иметь начальную, «пустую» массу.$M_0$. Накачка энергии$E$в устройство заставит массу подняться до$M = M_0 + E/c^2$. Для каждого практичного устройства$E/c^2$на порядки меньше, чем$M_0$.
2. Для идеального/идеализированного устройства, маховика или аккумулятора пределом будет$E=Mc^2$, как подозревает ОП. Обратите внимание, что$M$- полная, «релятивистская» масса. Начальная масса$M_0$на лимит не влияет.
3. В антиматерии нет ничего особенного. В каждом кусочке обычной материи содержится равное количество энергии (т.е. масса). Однако совершенно особенным является то, что комбинация обоих потенциально «высвобождает» всю эту энергию в виде фотонов. Использование этого контролируемым образом, вероятно, довольно сложно.
4. Каждая респектабельная теория будет уважать специальную теорию относительности, поэтому в струнах, суперсимметрии, высших измерениях и т. д. не будет лазеек.

попробую уточнить. Для упрощения формул положу скорость света равной единице,$c=1$, так что если время в секундах, расстояние в световых секундах и что-то, движущееся со скоростью, равной половине скорости света,$v=1/2$. Энергия-импульс может быть записана как 4-вектор$(E, \mathbf p)$. Величина энергии-импульса есть масса,$m$, и подчиняется соотношению

Это точно такое же уравнение, как и в других ответах, но с$c=1$, что делает его более простым. Масса,$m$, в этом соотношении является релятивистской инвариантной величиной, одинаковой во всех системах отсчета. Ее также называют массой покоя. В старых методах лечения энергия,$E$, иногда называют релятивистской массой. Эта терминология теперь вообще не рекомендуется, так как она вызывает путаницу, и уже есть прекрасное слово, энергия.

Энергия-импульс является сохраняющейся величиной. Если сложить вместе энергии-импульсы всех частиц в системе, то всегда будет получаться один и тот же результат, пока ничего не покидает и не входит в систему.

Самый простой пример, который я могу придумать, чтобы показать преобразование между массой и энергией, имеет два идентичных тела с одинаковыми противоположными импульсами.$( E, \pm \mathbf p )$летят вместе и сливаются в единое тело. Тогда закон сохранения энергии-импульса говорит нам, что энергия-импульс конечного тела определяется выражением

Точно то же самое происходит во всех взаимодействиях с участием энергии. Всякий раз, когда у вас есть составное тело, общая масса тела состоит из суммы энергии всех тех частиц, которые составляют тело. Это энергия тела в системе покоя.

То же самое верно и для маховика, если смотреть с инерциальной системы отсчета, в которой маховик вращается, но его центр масс не движется (о вращающихся системах отсчета трудно правильно думать в специальной теории относительности). Импульсы всех частиц материи, составляющих маховик, в сумме равны нулю, что означает увеличение массы.

Это относится также к любому виду накопленной энергии, например энергии, хранящейся в химических связях в электрической батарее.

Другими словами, это абсолютный закон, согласно которому энергия, хранящаяся в батарее любого типа, равна уменьшению массы при высвобождении этой энергии.

Единственная разница с батареей антиматерии состоит в том, что вся масса антиматерии вместе с точно такой же массой материи будет преобразована в энергию. Это накладывает абсолютный предел на количество энергии, которое может быть получено из данной массы, но не принимает во внимание всю массу батареи.

Что касается вопросов эффективности, следует учитывать и другие вещи. Энергию, высвобождаемую в результате реакции материи и антиматерии, трудно эффективно использовать (особенно если вы стремитесь управлять космическим кораблем).

А если подумать о массе батареи, то в настоящий момент мы можем хранить лишь крошечные количества антивещества (несколько атомов антиводорода) в течение нескольких минут, а для их хранения требуется чрезвычайно сложное (и массивное) оборудование. Проблема в том, что любая антиматерия, касающаяся контейнера для хранения, будет немедленно уничтожена вместе с разрушением такого же количества контейнера. Честно говоря, я сомневаюсь, что когда-либо будет возможно хранить антиматерию для использования в батарее.

Ну, во-первых, следует уточнить, что с увеличением скорости масса не увеличивается. Итак, когда объект (в данном случае маховик) получает больше кинетической энергии, его масса не увеличивается, а увеличивается его инерция. то есть становится труднее разогнать маховик по мере увеличения кинетической энергии. Таким образом, когда вы добавляете энергию к маховику массой 1 кг, масса маховика не меняется, но вместо этого становится труднее разогнать маховик больше.

Итак, поговорим об импульсе. Теперь обычный классический импульс не сохраняется при высоких скоростях. Таким образом, импульс, а не$p = mv$, вместо этого$p = \gamma mv$, где$\gamma$есть фактор Лоренца. На низких скоростях$\gamma$приближается к 1 даче$p = mv$

Итак, принимая во внимание эти факты, вот ответ на ваш вопрос: антиматерия — это самый эффективный способ хранения энергии, но есть более эффективный метод получения большего количества энергии.

Рассмотрим два маховика, один из материи, а другой из антиматерии, оба имеют массу$\frac{1}{2}$кг. Теперь сначала пусть они смотрят друг на друга с большим расстоянием между ними. Теперь, используя некоторую внешнюю силу (например, магнитные поля), мы ускоряем их до некоторых произвольных скоростей, скажем, 0,5c и -0,7c соответственно (принимая второе отрицательное значение, поскольку оно движется в направлении, противоположном первому). Теперь представьте, что вы двигаетесь с помощью первого колеса. Я не буду включать вращение в колесо, так как оно усложняет картину, приводит к парадоксу Эренфеста и некоторой общей теории относительности, но, исходя из кадра колеса 1, оно стоит на месте и вообще не движется. поэтому скорость второго колеса (как видно из первого мира)

Отвечая на первый ответ Джеймса, вы были правы в том контексте, что батареи из материи/антиматерии являются наиболее эффективными, но их вращение (или просто перемещение по прямой линии) не увеличивает их массу, поэтому более высокая эффективность батареи в с точки зрения энергии/кг можно получить, используя систему из двух колес общей массой 1 кг, которые движутся навстречу друг другу. Большей эффективности нельзя добиться с помощью другого оборудования, вместо этого ее можно получить с помощью других методов. Я упомянул один такой метод. Возможно, есть еще сотни, которые используют ту же установку материи/антиматерии. Но в целом батарея материи/антиматерии служит лучше всего.

Примечание. Релятивистская масса была изобретена как упрощение$p = \gamma mv$. Релятивистская масса была определена как$m_{rel} = \gamma m_0$так что выражение импульса оказывается$p = m_{rel} v$, что больше похоже на классическое выражение. Даже Эйнштейн не одобрял этого. Когда мы говорим : «Ни один объект не движется со скоростью света, потому что с увеличением скорости кинетическая энергия добавляет массу, а при скорости света вы получаете бесконечную массу» , это скорее должно означать: «Ни один объект не движется со скоростью света, потому что с увеличением скорости увеличивается кинетическая энергия». инерция объекта, что затрудняет его ускорение до более высоких скоростей».

Относительно предела получения энергии: Ну, предел энергии, которую вы можете получить от стационарного объекта, составляет$E = mc^2$а для движущихся объектов это

Я думаю, что простой ответ на этот вопрос заключается в том, что в систему просто включают какой-то другой механизм хранения энергии в дополнение к материи + антиматерии. Получившаяся система хранит больше энергии, чем одна только система материя + антиматерия. Мы могли бы, например, взять наши 0,5 кг материи и 0,5 кг антиматерии, раздавить их в черные дыры, а затем разделить на большое расстояние. Гравиационный потенциал такой системы довольно легко вычислить. Мы могли разумно использовать энергию только до тех пор, пока черные дыры не «столкнутся», что означает, что они попадут в горизонт событий друг друга. Радиус горизонта событий черной дыры весом 0,5 кг составляет около 7,42e-28м. Гравитационный потенциал системына бесконечности (что незначительно отличается от потенциала на миллиметре) составляет около 2,25e + 16 Дж. Сравнивать,$e=mc^2$для системы дает около 8,99e+16J. Таким образом, общая энергия, хранящаяся в системе, составляет дополнительные 25% или около того.