Я просто какая-то энергия, перемещающаяся со скоростью света? [закрыто]

Знаменитое уравнение$E = mc^2$на самом деле просто частный случай релятивистского уравнения для полной энергии:

$$E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 \tag{1}$$

где$p$- релятивистский импульс и$m$- (постоянная) масса покоя:

$$p = \frac{mv}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$$

Для объекта, который не движется$p=0$и уравнение (1) принимает вид:

$$E = mc^2$$

с чего вы начали. Но для движущегося объекта нам нужно включить$p^2c^2$термин, и это то, что объясняет дополнительную энергию, связанную с движением. Так что нет никакого странного эффекта превращения дополнительной энергии движущегося объекта в массу.

Кстати, это уравнение применимо и к свету. Для легкой массы$m$равно нулю, и уравнение (1) принимает вид:

$$E = pc$$

Это может быть более узнаваемо, если мы сделаем замену$p=h/\lambda$получить:

$$E = \frac{hc}{\lambda} = h\nu$$

означает ли это уравнение, что массы — это просто сконденсированная энергия?

Нет , это означает, что масса — это просто еще одна форма энергии, такая же, как теплота, движение, электрическое притяжение и т. д.

Например, энергия заряженного шара

$$E=\frac{3}{5}\frac{Q^2}{R}$$

Это уравнение не означает, что заряд — это просто сконденсированная энергия; это означает, что заряженные объекты обладают энергией .

Точно так же энергия тела в состоянии покоя равна

$$E=mc^2$$ и это не значит, что масса есть сгущенная энергия; это означает, что массивные объекты обладают энергией .

Означает ли это, что дополнительная энергия, которой обладает объект при движении со скоростью света, просто становится массой? Значит, все массы — это просто энергия, перемещающаяся со скоростью света?

В этом нет особого смысла: единственный объект, который движется со скоростью света, — это, ну, в общем, свет. Ничто другое не может двигаться так быстро.

andynitrox предположил, что OP, вероятно, говорит о «релятивистской массе», то есть о том факте, что масса объекта увеличивается при движении со скоростью, близкой к скорости света. Обратите внимание, что это историческая ошибка: масса объекта не зависит от состояния его движения. Масса не увеличивается со скоростью .

Если да, то не должен ли свет быть для нас относительно неподвижным?

С чего бы это? это не так: он движется очень быстро. И мы можем измерить его скорость, и она оказывается$3\ 10^8\ \mathrm{m/s}$. Это совсем не стационарно , это очень- очень быстро!

Итак, что делает$E=mc^2$иметь в виду?

Теперь, когда я ответил на ваши вопросы, позвольте мне попытаться ответить на важный вопрос: в чем смысл$E=mc^2$.

Оказывается, мы, люди, допускаем некоторые ошибки, когда выбираем, как измерять вещи в физике. Нам нужно было измерить расстояния, и мы выбрали сравнение длины объекта с прототипом стержня, которому мы произвольно присвоили длину «1 метр». Допустим, я хочу построить сарай на своей земле. Я скажу инженеру: «Хочу 3 метра высотой». Это значит, что мой сарай должен быть в три раза выше того платино-иридиевого слитка, который мы выковали некоторое время назад.

Но теперь предположим, что физики в свое время выбрали другой прототип стержня, вдвое меньше предыдущего, и назвали эту длину «1 AFT», то есть 1 метр = 2 AFT. В этом случае я скажу инженеру, что мой сарай должен быть «высотой 6 AFT». Как видите, фактическое значение высоты зависит от произвольных соглашений.

Что ж, правда в том, что ученые выбрали какие-то произвольные условности, и они сделали это неправильно. Оказывается, все намного проще (в физике, а не в повседневной жизни), если мы выберем другое соглашение для длины, не произвольное, но имеющее резон: мы выберем единицу длины так, что$c=1$вместо$c=3\ 10^8\ \mathrm{m/s}$. Это может показаться необычным, потому что$c=1$единиц больше нет, но потерпите, это удобно. Итак, какой высоты должен быть мой сарай?

Обратите внимание, что

$$1=c=3\ 10^8\ \mathrm{m/s}\quad\Leftrightarrow \quad 1\ \mathrm{m}=\frac{1}{3\ 10^8}\mathrm{s}=3.33\ 10^{-9}\ \mathrm{s}$$ и поэтому мой сарай $3\ \mathrm{m}=10^{-8}\ \mathrm{s}$высокий. Мы измеряем длину в секундах! Я должен сказать инженеру: «Я хочу сарай высотой в десять наносекунд». Но зачем нам это!?

Ну если$c=1$тогда многие уравнения намного проще, например,

$$E=m$$

Теперь вы можете видеть, что$E=mc^2$на самом деле означает: масса и энергия — одно и то же. Фактор$c^2$просто потому, что мы выбрали плохой прототип бара. Если бы мы были умнее, его бы там не было. Но ждать! Я сказал в первом абзаце этого поста, что масса и энергия — не одно и то же, так что же происходит? Есть они или нет?

Ну: нет, не они. Они не потому, что$E=mc^2$это не конец истории. Истинное уравнение больше похоже на это:

$$E=\frac{m}{\sqrt{1-v^2}}+\text{electric energy}+\text{magnetic energy}+\text{gravitational energy}+\cdots$$ куда мы должны включить все формы энергии . В частности, обратите внимание, что первый член зависит от $\boldsymbol v$, то есть скорость частицы. Что же мы получим, если частица покоится и находится вдали от всего остального, то есть изолирована? Ну в таком случае получаем $E=m$назад. Итак, масса — это то же самое, что энергия? нет, энергия частицы включает в себя все формы энергии. Масса — это энергия частицы, находящейся в покое и далекой от любой другой частицы . Это истинное определение массы, которое вам следует запомнить. При таком определении легко увидеть, что масса не зависит от скорости: она определяется как энергия покоящегося объекта, так как же она вообще может зависеть от скорости?

Я попытаюсь ответить на этот вопрос, исходя из моего базового понимания специальной теории относительности:

1. Является ли материя конденсированной энергией? Вроде так, но лучше было бы сформулировать это так: все, что имеет энергию (ведет себя так), имеет массу. Представьте, что у вас есть полая коробка, внутренности которой покрыты идеальными зеркалами, и вы ставите ее на весы. Если бы вы посветили внутрь коробки, она содержала бы фотоны, обладающие энергией, и шкала показала бы, что коробка тяжелее. Хотя эффект был бы очень и очень мал. Также свет искривляется, когда он проходит рядом с тяжелыми предметами.
   
   Однако важно различать массу покоя и релятивистскую массу . Как указано в предыдущем ответе,$E=mc^2$это всего лишь частный случай более общего $$E^2=(m_0c^2)^2+(pc)^2$$ с$m_0$быть «массой покоя». Масса покоя — это масса объекта, когда он находится в состоянии покоя, и обычно это та же масса, которую вы видите на своих весах. Свет имеет нулевую массу покоя, и вся его энергия исходит от импульса ($p$). Релятивистская масса — это масса, которую частица имеет благодаря своей полной энергии: $$m_{rel}=\frac{E_{total}}{c^2}$$ что объясняет, почему свет искривляется вблизи массивных объектов. Вы все равно скажете, что фотоны не имеют массы.
   
   
2. Объекты с массой (читай: массой покоя) не могут достичь скорости света. Из релятивистской массы следует, что по мере ускорения чего-то увеличивается его импульс, а также его энергия и релятивистская масса. Это означает, что становится все труднее и труднее ускорять его дальше
   ($a=\frac{F}{m_{rel}}$до сих пор держится). Так что нет. Однако объекты, движущиеся с любой другой скоростью, будут иметь увеличенную релятивистскую массу, но имейте в виду, что эффекты почти всегда настолько ничтожны, что в большинстве случаев вы их не заметите.

Мне жаль это говорить, но вопросы 3 и 4 не имеют для меня никакого смысла, но я надеюсь, что мой ответ прояснил для вас некоторые вещи.

Учитывая контекст вопроса, тот факт, что речь, похоже, идет о$E=mc^2$в частности, и что ОП говорит, что ему трудно это понять, я попытаюсь дать простой ответ на простом английском языке без более сложных формул.

Я не физик, и хотя концепция может быть не такой уж простой, формула довольно проста, может быть, даже проще, если цитировать (вольно) Эйнштейна.

Энергия ($E$) равно Массе ($m$), умноженное на очень большую константу , такую ​​как скорость света в квадрате ($c^2$).

Что касается названия: нет, и только потому, что что-то удаляется от вас, скажем, с удвоенной скоростью света, не означает, что оно движется с удвоенной скоростью света. Пространство может двигаться без движения вещей внутри него.

По отдельным пунктам:

1. означает ли это уравнение, что массы — это просто сконденсированная энергия?

Нет, это просто означает, что энергия и масса взаимозаменяемы , а масса превращается в большое количество энергии.

2. Означает ли это, что дополнительная энергия, которой обладает объект при движении со скоростью света, просто становится массой?

Нет, само уравнение ничего не говорит ни о движении, ни о скорости, ни даже о скорости света. Вещи не просто достигают скорости света, вам нужно приложить энергию к массе, чтобы ускорить ее.

Математически, исходя из этой формулы, нет никаких причин, по которым вы не можете двигаться со скоростью или быстрее, чем скорость света.

Посмотрите на формулу ускорения масс и учтите, что для того, чтобы достичь скорости света, кинетическая энергия должна откуда-то поступать (например, взорвать что-нибудь - проверьте коэффициент преобразования массы в кинетическую энергию... это нехорошо!), и если вы подсчитав суммы, вы найдете количество энергии (или массы, чтобы взорвать и преобразовать ее в энергию), которую вы должны придать массе, чтобы разогнать ее до такой скорости, что это невозможно.

3. Значит, все массы — это просто энергия, перемещающаяся со скоростью света?

Неа.

4. Если да, то не должен ли свет быть для нас относительно неподвижным?

Нет, потому что вы не путешествуете со скоростью света.