Warum ist E = Mc ^ 2?

Paul Sutter ist ein Astrophysiker an Der Ohio State University und der chief Scientist bei COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber der Podcasts Ask ein Raumfahrer und Realraumund der YouTube-Serie Space In Your Face. Sutter trug dieses Artikels auf Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Erkenntnisse.

Spielen wir eine Spiel! Die Lichtgeschwindigkeit ist nur eine Nummer, richtig? Wenn Sie Ihre Einheiten definieren, z. B. kann was ein "m" und eine "zweite" sind, man sagen, dass die Geschwindigkeit des Lichts um 300.000.000 Meter pro Sekunde. Oder 670,000,000 "mph" "," was auch immer das sind.

Was ist, wenn stattdessen nur die Geschwindigkeit des Lichts gesagt entsprach... 1. nur 1. Ja, 1 was? Ich sagte: nur 1. Keine Meilen, keine Sekunde, keine vierzehn Tage, kein Ligen. Nur... (1) Wir sind berechtigt, tun es, weil es ist nur eine Nummer, und wir wählen ein System wo Geschwindigkeit hat keine Einheiten. In diesem System Kreuzfahrten ein Düsenverkehrsflugzeug im Schneckentempo von 0,000001 oder 0,0001 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Zwei der schnellsten menschengemachten Objekte, die Helios-Sonden vergrößert um das Sonnensystem auf eine satte 0.00025! Blick auf sie gehen!

Nun, da wir die Geschwindigkeit des Lichts 1 definiert haben, werfen wir einen Blick auf die berühmte Gleichung in der Physik: E = Mc². [Infografik: wie Einsteins E = Mc ^ 2 Werke]

Wir wissen alle Bits, aber lassen Sie uns erfrischen: E ist für Energie, m für Masse und c ist die Lichtgeschwindigkeit cOnstant. Aber in unserer neumodischen Einheitensystem (genannt, für die technisch interessierten geometrisiert Einheiten), c ist 1 gleich, und das berühmte Gleichung reduziert sich auf das Wesentliche:

E = m.

Ich werde es auch buchstabieren:

Energie = Masse.

Geht es nicht deutlicher als das, Leute. Energie ist Masse. Masse ist Energie. Sie sind gleichwertig; Sie sind gleich. sie sind die gleiche Sache.

Warte, warte, warte, du sagen, wie du siehst mich an verdächtig. Was ist Licht? Photonen haben keine Masse, aber sie haben sicher viel Energie. Wie sonst fressen Pflanzen?

Du hast Recht, Photonen haben keine Masse. Aber sie haben an Dynamik, das ist, wie Dinge wie Lichtsegel (auch als Sonnensegel) der Pep bekommen, die sie brauchen, um das Sonnensystem zu gleiten: ihren Antrieb kommt vom Strahlungsdruck der Sonne. Und Dynamik hat Energie. Aber wo ist die Dynamik in E = m? Es ist auf der Suche wie wir nicht genug Buchstaben hinein zu quetschen.

Die Verwirrung entsteht aus der "m" verwendet in E = m. Wir denken normalerweise an "Masse" als etwas konkrete und einfache. Halten Sie einen Stein in der Hand; Freuen Sie sich auf Masse. Werf den Ball, und es hat Masse und Impuls. Aber das ist nicht das "m" in E = m. Stattdessen, wenn Einstein die Gleichung schrieb, meinte er etwas anderes, normalerweise gekennzeichnet als "relativistische Masse." [8 Möglichkeiten, die Sie Einsteins Relativitätstheorie im realen Leben sehen]

Dieser Begriff ist nicht so viel heutzutage verwendet, weil es so viel Kopf-kratzen verursacht.

Wir gehen einen Schritt zurück und sehen, was Einstein dachte.

Du erinnerst Kindergartenniveau spezielle Relativitätstheorie und Dinge zu hören wie "Es ist unmöglich, an die Lichtgeschwindigkeit zu bewegen, denn je schneller etwas geht, die mehr Masse hat es. Um die Geschwindigkeit des Lichts gelangen, hat unendliche Masse, so wäre es unmöglich zu schieben!" Ja, nun ist es Zeit für die erste Klassenstufe spezielle Relativitätstheorie.

Ein wesentlicher Aspekt unseres Universums ist, dass es ist ein universelles (und ich meine wirklich universelle) Tempolimit: die gleiche Geschwindigkeit, das Licht geht. Egal was passiert können Sie diese Geschwindigkeit nie knacken. Mal sehen, wie das in der Praxis spielt:

Nehmen wir an ich gebe euch einen schönen, festen Stoß und senden Sie wegfliegen bei 0,9 — d. h. 9/10 der Lichtgeschwindigkeit. Was passiert, wenn ich Ihnen aufholen und geben Ihnen die exakt gleiche Shove wieder. Sie werden nicht gehen, 18/10 der Lichtgeschwindigkeit, weil das nicht erlaubt ist. Sie erhalten näher an die Geschwindigkeit des Lichts, aber nie zu überqueren. So für die exakt gleiche Kraft, die ich Ihr hoffnungslos selbst beeinflussen, bewegen nicht ich Sie so schnell. Ich bekommt weniger für das Geld.

Und je näher Sie an die Geschwindigkeit des Lichts, desto weniger wirksam werden meine schiebt: Erstens kann erhalten Sie auf 0,9, dann die zweite 0,99, dann 0,999, dann 0,9999. Abnehmende gibt jedes Mal zurück. In der Tat ist es, als ob Sie bekamen mehr Masse. Das ist genau das, was mehr Masse bedeutet: Sie noch härter zu schieben.

So was geht vor? Die Antwort ist Energie. Sie haben noch die gleichen alten Normal, jeden Tag, Ruhemasse, die Sie seit jeher. Aber du wirst wirklich, wirklich schnell. Und Geschwindigkeit hat eine Energie, die mit ihr verbundenen – kinetische Energie. Es ist also wie diese kinetische Energie handeln , wie zusätzliche Masse ist; So oder so ich es zählen, erhalten Sie härter zu schieben, wegen dieser grundlegenden Tempolimit.

Das heißt, können Sie sagen, dass Energie Masse. Huh, Whaddaya wissen.

Zurück zu den "m" in E = m. Als Physiker das Spiel mit diesen Gleichungen begann, sie sehr wohl die allgemeine Geschwindigkeitsbegrenzung und seine nonintuitive Folge, dass Sie härter, je schneller Sie schieben gehen. Damit sie dieses Konzept in einer einzigen Variablen zusammengefasst: die relativistische Masse, verbindet die normale, alltägliche Masse und die "effektive" Masse erhaltet ihr von jede Menge kinetischer Energie.

Wenn wir "m" in seine verschiedenen Bestandteile aufteilen, erhalten wir:

E² = m² + p²

Oder unser Freund c: zurückholen

E² = m²c⁴ + p²c²

Und wir haben einen anderen Charakter die Partei beitreten: p, für Dynamik. Photonen haben keine Masse, aber sie haben Impulse, so bekommen sie auch noch Energie.

In dieser Ansicht ist die Masse eine Form von Energie. Aber ich habe nur gesagt über dem Energie wie Masse wirkt. Was ist der Deal? Reden wir nur im Kreis?

Nein. Masse ist Energie. Energie ist Masse. Sie können Dinge energywise oder masswise zählen. Es spielt keine Rolle. sie sind die gleiche Sache.

Eine heiße Tasse Kaffee wiegt buchstäblich mehr als eine kalte Tasse. Einem schnellen Raumschiff buchstäblich wiegt mehr als ein langsamer. Ein Fels – oder einem Atomkern – ist eine kompakte, gebündelt-Up Kugel aus Energie, und manchmal können wir einen Teil dieser Energie heraus für einen großen Boom zu necken.

Erfahren Sie mehr durch das Anhören der Episode "Warum bedeutet E = Mc ^ 2?" auf die Fragen A Spaceman Podcast, erhältlich auf iTunes und im Internet unter. Eigene Frage zu Twitter mit #AskASpaceman oder mit dem folgenden Paul @PaulMattSutterand facebook.com/PaulMattSutter.

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