E = mc2: Einsteins Gleichung, die die Atombombe gebar

Albert Einsteins berühmte Formel E = Mc
² zum ersten Mal die Masse eines Körpers mit seiner Energie verbunden und läutete eine neue Welt der Physik

Dies ist die wohl bekannteste Gleichung in der Geschichte von Gleichungen. Ausdrucken auf unzählige T-shirts und Poster, spielte in Filmen, und auch wenn Sie nie die Schönheit oder den Nutzen von Gleichungen geschätzt habe, wisst ihr diesein. Und Sie wahrscheinlich auch wissen, wer kam mit – Physiker und Nobel Laureatus Albert Einstein.

Die Ideen, die zu der Gleichung geführt wurden von Einstein 1905 in ein Papier vorgelegt, die Annalen der Physik genannt "Ist die Trägheit eines Körpers Depend auf den Energiegehalt?" festgehalten. Die Beziehung zwischen Energie und Masse kam aus einer anderen Einsteins Ideen, spezielle Relativitätstheorie, die war eine radikale neue Weise, die Bewegungen der Objekte im Universum zu beziehen.

Auf einer Ebene ist die Gleichung umwerfend einfach. Er sagt, dass die Energie (E) in einem System (ein Atom, eine Person, die Solaranlage) seine Gesamtmasse (m) multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c, gleich 186.000 Meilen pro Sekunde) entspricht. Wie alle guten Gleichungen, aber seine Einfachheit ist ein Kaninchenloch in etwas tiefgründiges Natur: Energie und Masse nicht nur mathematisch im Zusammenhang, sie sind unterschiedlich, das gleiche zu messen. Vor Einstein definiert Wissenschaftler Energie wie das Zeug, mit dem Objekte und Felder interagieren oder in irgendeiner Weise-kinetische Energie ist verbunden mit Bewegung, thermischer Energie beinhaltet Heizung und elektromagnetische Felder enthalten Energie, die als Wellen übertragen wird. All diese Arten von Energie umgewandelt werden können, von einem zum anderen, aber nichts kann jemals geschaffen oder zerstört werden.

In der Relativitätstheorie führte Einstein Masse als eine neue Art von Energie in den Mix. Vorher war die Masse in Kilogramm um etwas nur ein Maß dafür wie viel Zeug anwesend war und wie beständig musste verschoben werden. Masse wurde Einsteins neue Welt eine Möglichkeit, die gesamte Energie in ein Objekt, auch wenn es nicht geheizt wurde, verschoben oder bestrahlt oder was auch immer zu messen. Masse ist einfach eine super-konzentrierte Form von Energie und darüber hinaus können diese Dinge drehen von einer Form zur anderen und wieder zurück. Kernkraftwerke nutzen diese Idee innerhalb ihrer Reaktoren wo subatomaren Teilchen, Neutronen, genannt beschossen werden die Kerne der Uranatome, wodurch das Uran in kleinere Atome aufgeteilt. Der Prozess der Kernspaltung freigibt Energie und weitere Neutronen, die weitere Uranatome gespalten weitergehen können. Wenn Sie sehr genaue Messungen aller Teilchen vor und nach dem Prozess gemacht, würden Sie feststellen, dass die Gesamtmasse des letzteren sehr geringfügig kleiner als die früheren, etwas als "Massendefekt" bekannt wurde. Diese fehlende Angelegenheit wurde in Energie umgewandelt und Sie können berechnen, wie viel mit Einsteins Gleichung.

Trotz der winzigen Diskrepanz in Masse zwischen der Uran-Atom und seine Produkte, die Menge der freigesetzten Energie ist groß und der Grund, warum ist offensichtlich wenn man schaut sich die c² Bezeichnung in der Gleichung – die Lichtgeschwindigkeit ist eine große Anzahl von selbst und seinen Platz ist daher enorm. Es gibt eine Menge von Energie in Materie verdichtet – 1kg "Zeug" enthält ca. 9 x 10 ^ 16 Joule, wenn Sie es irgendwie in Energie umwandeln könnte. Das ist das Äquivalent von mehr als 40 Megatonnen TNT. In der Praxis ist es die Menge an Energie, die aus einem 1 Gigawatt-Kraftwerk, groß genug, um 10 Millionen Häuser für mindestens drei Jahre lang laufen würde. Eine Person 100kg hat daher genügend Energie in ihnen auf, dass viele Häuser 300 Jahre eingesperrt.

Entsperren, die Energie ist jedoch keine leichte Aufgabe. Kernspaltung ist einer der mehrere Möglichkeiten, ein kleines bisschen von einem Atom Masse freizugeben, aber die meisten der Sachen bleibt in Form von bekannten Protonen, Neutronen und Elektronen. Eine Möglichkeit, einen ganzen Block von Material in pure Energie verwandeln wäre es zusammen mit Antimaterie zu bringen. Teilchen der Materie und Antimaterie sind identisch, bis auf eine entgegengesetzte elektrische Ladung. Bringen sie zusammen, aber, und sie werden einander in reine Energie zu vernichten. Leider, angesichts der Tatsache, dass wir nicht, dass jede natürliche Quellen von Antimaterie wissen, die einzige Möglichkeit, es zu produzieren in Teilchenbeschleunigern und es würde 10 Millionen Jahre dauern bis ein Kilogramm davon produzieren.

Teilchenbeschleunigern Studium fundamentale Physik sind ein weiterer Ort, wo Einsteins Gleichung nützlich wird. Spezielle Relativitätstheorie besagt, dass je schneller etwas bewegt, desto schwerer wird es. In einem Teilchenbeschleuniger sind Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und ineinander zerschlagen. Die hohe Energie dieser Kollisionen ermöglicht die Bildung von neuen, mehr massive Teilchen als Protonen – wie das Higgs-Boson –, das Physiker studieren möchten. Die Partikel gebildet werden könnte und wie viel Masse, sie haben, alle berechnet werden kann mit Einsteins Gleichung.

Es wäre schön zu denken, dass Einsteins Gleichung berühmt, einfach wegen ihrer grundsätzlichen Bedeutung wurde dabei, uns zu verstehen, wie unterschiedlich die Welt wirklich ist, wie wir es vor einem Jahrhundert wahrgenommen. Aber seinen Ruhm ist vor allem wegen seiner Verbindung mit einem der verheerendsten Waffen produziert von Menschen – die Atombombe. Die Gleichung erschien der Bericht, vorbereitet für die US-Regierung von dem Physiker Henry DeWolf Smyth 1945 von den Alliierten Anstrengungen zu einer Atombombe während des Manhattan-Projekts. Das Ergebnis dieses Projekts führte zum Tod von Hunderttausenden von Japanern in Hiroshima und Nagasaki.

Einstein selbst hatte die US-Regierung zur Finanzierung von Forschung in Atomenergie während des zweiten Weltkrieges ermutigt, aber seine eigene Beteiligung am Manhattan-Projekt beschränkte sich wegen seines Mangels an Sicherheitsüberprüfungen. Es ist unwahrscheinlich, dass Einsteins Gleichung viel Einsatz war bei der Gestaltung der Bombe neben Wissenschaftlern und Militärführer erkennen, dass solch eine Sache theoretisch möglich wäre, aber der Verein hat stecken.

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