Přeměna hmoty na energii

jedním z nejzajímavějších triků, které náš vesmír dokáže vykouzlit, je přeměna mezi hmotou a energií. Když uvidíte záblesk světla, objektu, který vyzařovaného ztrácí malou část své hmoty, stává mírně světlejší. Podobně, když objekt absorbuje světlo, získává malé množství hmoty.
tento jev se nazývá přeměna hmoty a energie. Pracuje na všech úrovních, od pohybu elektronů mezi skořápkami po fúzi a štěpení protonů a neutronů v jádře. Že se taková věc může stát vůbec je úžasné, protože, na tvář to, elektromagnetické vlny, jako je například viditelné světlo, se zdá, nemají nic společného s pevné látky každodenní objekty jsou složeny.

E=mc 2 ?

rozsah přeměny mezi hmotou a energií se řídí slavnou relativistickou energetickou rovnicí E=mc2. Tato rovnice nám v podstatě říká, že celkové množství energie dostupné v daném množství hmoty (pokud by hmotnost mohla být plně přeměněna na energii)je určeno vynásobením hmotnosti rychlostí světla na druhou.
tento vzorec lze odvodit použitím speciálních relativních (SR) vzorců. Vynechám derivaci, jak ji můžete vidět na mnoha místech, jako je zde .
V tomto okamžiku mohou zaznít některé alarmy. V prvních kapitolách této knihy jsem zdůraznil množství problémů spojených s teorií SR. Pokud jsou tyto námitky pravdivé, znamená to, že tato energetická rovnice je chybná? Odložme tuto otázku prozatím stranou a prozkoumejme proces konverze.

Bohrův atom vodíku

v předchozí kapitole o atomových drahách jsme se podívali na Bohrův model atomu vodíku. V tomto modelu elektrony obíhají pouze v pevné vzdálenosti od jádra a jsou schopny skákat mezi oběžnými dráhami. Když elektron skočí z vysoké na nízkou oběžnou dráhu (tj. blíže k jádru), emituje foton specifické frekvence.
princip přeměny hmoty a energie nám říká, že když je tento foton emitován, musí se hmotnost atomu snížit, protože byla vytvořena energie. To vyvolává zajímavou otázku. Pokud se jeho hmotnost snížila,která část atomu ji ztratila?
jedinými částmi atomu vodíku jsou proton a elektron. Ztrácí proton nebo elektron? Protože elektron je objekt, který se pohybuje mezi granáty (ve stálých oběžných drahách), pravděpodobně je to, že ztrácí hmotnost. Bohužel, to vytváří dilema.
Bohr má rovnici, která přesně předpovídá frekvence, na základě kterých skořápky elektron pohyboval mezi. Je to v této podobě:

f=\frac{2 \pi ^2 k^2 e^4 m}{h^3}\left(\frac{1}{n_1{}^2}-\frac{1}{n_2{}^2}\right)

Kde f je frekvence, k je coulombova konstanta, e je náboj elektronu, h je Planckova konstanta a n1 a n2 jsou celočíselné hodnoty pro skořápky přesouvány mezi.
Všimněte si m v této rovnici, která představuje hmotnost elektronů. Pokud by se tato hmotnost měnila, vypočtená frekvence by se lišila. Vzhledem k tomu, že tato rovnice předpovídá frekvence správně, znamená to, že její hmotnost se nemůže měnit. Koneckonců, snížení hmotnosti by jistě změnilo jeho orbitální chování.
takže pokud elektron neztrácí hmotu, co proton? Vzhledem k tomu, že je mnohem těžší, proton by si jistě mohl dovolit ztratit docela dost. Pokud však můžeme říci, proton se nepodílí na přechodu elektronu mezi skořápkami. Zdá se tedy zvláštní, že proton by měl něco ztratit.
skutečnost, že chemické a jaderné reakce uvolňující energii způsobují, že materiály jsou lehčí, je nepopiratelná. Jak by to mohlo být? Musíme se podívat hlouběji do možných mechanismů.

pochopení hmotnosti

Chcete-li zjistit, jak by mohlo dojít ke ztrátě hmotnosti, zvažte otázku:
Co je hmotnost?
dobře, to je těžké. Pojďme tedy přeformulovat:
Jak změříme hmotnost?
To je jednodušší. V zásadě existují dva způsoby: jeden je gravitací a druhý setrvačností. Použití gravitace k měření hmotnosti zahrnuje uvedení hmoty na stupnici, jako je pružinová stupnice, a měření síly založené na roztažení její pružiny. Použití setrvačnosti zahrnuje použití známé síly na hmotu a měření její rychlosti zrychlení.
z praktického hlediska je gravitace jednodušší volbou. Problém s gravitací však spočívá v tom, že měření se mění s gravitačním polem. Například jarní stupnice by ukazovala šestinu hmotnosti na Měsíci a nulu na palubě obíhajícího satelitu. Měření založená na setrvačnosti tento problém nemají a všude budou mít stejný výsledek. Zaměřme se tedy na měření založená na setrvačnosti a gravitační aspekty necháme na později.
Nyní za velmi důležitou otázku:
Pokud se něco o procesu elektrony pohybující se mezi drahami způsobila setrvačnosti založené na měření zaregistrovat menší hodnotu hmotnosti, by se, že se objekt objeví lehčí?

pochopení Newtona

pohyb objektů se řídí Newtonovými zákony pohybu. Tyto zákony zahrnují principy hybnosti a úspory energie. Vidíme tyto principy v akci všude; vždy fungují a nemáme důvod o nich pochybovat.
dalším principem je rovnováha sil. Pokud tlačíte proti objektu, vždy se “tlačí zpět” se stejným množstvím síly v opačném směru. Průměrný člověk to ví jako “pro každou akci existuje stejná a opačná reakce”” K “rovnému a opačnému” můžeme přidat “a simultánní”, protože reakční síla se vždy tlačí zpět ve stejný okamžik.
nebo ano?
když tlačíte proti něčemu, ve skutečnosti to přímo netlačíte. Například když používáte ruku k zavření dveří, vaše ruka se ve skutečnosti nedotýká dveří. Místo toho elektrony obklopující atomy ve vnější vrstvě vaší ruky se velmi blíží elektronům na povrchu dveří. V tomto okamžiku se elektronové vrstvy tlačí proti sobě a nutí ruku a dveře od sebe.
síla, kterou cítíte, je opravdu jen elektrostatické odpuzování. Elektrony se navzájem odpuzují stejným množstvím síly, což dávᔠstejný a opačný ” efekt.
teď to začíná být zajímavé. Víme, že nabité částice se navzájem přímo netlačí. Místo toho každá částice vytváří pole a toto pole pak interaguje s jinými částicemi. Víme také, že pole cestuje omezenou rychlostí: rychlostí světla. Proto existuje krátká prodleva mezi tím, kdy se jedna částice pohybuje a druhá reaguje.

Studie času a pohybu

abychom pochopili důsledky zpožděné odpovědi, studujme jednoduchou situaci zahrnující nabité částice. Nížit.

ve výše uvedeném diagramu jsou dvě kladně nabité částice drženy v pevné vzdálenosti od sebe. Nechť se levé a pravé částice nazývají částice 1 a 2 a modré a zelené barvy. Pro jednoduchost řekneme, že každý z nich má náboj 1 (v libovolných jednotkách), hmotnost 1 a jsou odděleny vzdáleností 1. Stojí v klidu, držen na místě, a každý zažít protichůdnou sílu 1 Newtons.
Nechť rychlost světla je 1 jednotka-vzdálenost za sekundu, což znamená, že bude trvat 1 sekundu, než pole komunikuje mezi částicemi. Čas je nyní t-minus-jedna vteřina. Budeme držet částice v této poloze po dobu 1 sekundy, aby se jejich statická pole dostala k sobě.
nyní při t=0 sekundách uvolníme obě částice. Dáme částici 2 (vpravo) ostrý posun směrem k částici 1, takže nyní cestuje 50% rychlostí světla. Nížit.

chceme vědět, jak se tyto částice budou pohybovat a jaký bude mít účinek zpoždění pole. Nejprve však vezměme standardní případ, kdy předpokládáme, že světlo se pohybuje nekonečnou rychlostí a interakce jsou okamžité.

výše uvedených grafů ukazuje, pozici a rychlost částice 1 a 2 více než 1,5 druhém období. Obrázek 3 ukazuje jejich polohy (modré a zelené čáry), přičemž červená čára je jejich těžištěm. Obrázek 4 ukazuje rychlosti s červenou čarou představující celkovou hybnost. Jak se očekávalo, střed hmoty se pohybuje v přímce a hybnost je zachována; zůstává konstantní po celou dobu.
dále nastavíme rychlost světla na 1 jednotku za sekundu.

Obrázek 5 ukazuje rychlost částic 1 a 2 a celková hybnost (stejné barvy). Prvních 0,8 sekundy částice 1 (Modrá) sleduje stejnou cestu jako dříve. Najednou je zasažen dopadem pole částice 2 pohybujícího se 0,5 c doleva, což zvyšuje zrychlení 1.
částice 2 (Zelená) se liší od předchozího scénáře. Okamžitě cítí velký odpor kvůli jeho pohybu do existujícího pole částice 1. V 1.2 sekundy, částice 2 cítí pokles síly z pole částice 1 v důsledku počátečního pohybu částice 1 doleva. Zrychlení částice 2 pak mírně klesá (i když je v grafu obtížné vidět).
důležitější je však hybnost (červená čára). Jak je vidět, není konstantní a nebyla zachována.
výše uvedený graf (obrázek 5) byl vytvořen pomocí VDCL (Coulombův zákon závislý na rychlosti). Pro srovnání zopakujme výše uvedené pomocí standardního Coulombova zákona.

Na obrázku 6 se částice 1 (Modrá) chová velmi podobně jako situace s nekonečnou rychlostí světla. Pak je za 0,92 sekundy zasažen zvýšením pole z částice 2. Částice 2 (Zelená) okamžitě pociťuje zvýšení síly z částice 1, protože je blíže; ačkoli síla se nezvyšuje tolik jako u případu VDCL. Poté za 1,36 sekundy dojde k mírnému poklesu síly v důsledku pohybu částice 1 (i když je v grafu obtížné vidět).
důležité je však poznamenat, že hybnost (červená čára) stále není zachována, a to ani se standardním Coulombovým zákonem. Ačkoli to není tak zkreslené jako případ VDCL.

hrající kroket

podívejme se, jak by se to mohlo promítnout do ztráty hmotnosti. Představte si, že držíte kroketovou paličku (kladivo) a Chystáte se zasáhnout míč. Nížit.

v levém rámu se palička blíží k stacionární kouli. V pravém rámu palička zasáhla míč, který se nyní zrychluje. Pokud známe hmotnost paličky a rychlosti objektů před a po, můžeme určit hmotnost koule pomocí zákonů zachování hybnosti.
Nyní řekněme, že existuje řada podobných koule a ty jsou zarážející je jeden po druhém, použití stejné množství síly na palici pokaždé. Jak tak učiníte, zjistíte, že každý míč se pohybuje pryč stejnou rychlostí. Pak udeříte míč a všimnete si, že se pohybuje vyšší rychlostí.
vaše první myšlenka by byla, že tato koule musí být lehčí než ostatní. Tento závěr by byl založen na vaší znalosti zákonů hybnosti. Ale co když míč ve skutečnosti měl stejnou hmotnost jako ostatní a přesto nějak tlačil tvrději proti palici? To by způsobilo, že se rychleji vzdaluje a vyvolává dojem, že je lehčí. Jak se to mohlo stát?
Porovnejte pohyb mezi obrázky 4 a 5 výše. Na obrázku 5 si všimněte, že když se částice 2 (Zelená) zpočátku rychle pohybovala doleva, obdržela silný push-back z pole částice 1 (Modrá). To způsobilo, že částice 2 byla tlačena rychleji doprava než na obrázku 4. Zpočátku částice 1 neviděl nic z tohoto pohybu a, v době, kdy to udělal, to bylo dále, a tak měl menší odezvu. Výsledkem bylo, že částice 2 se rychleji vzdálila od částice 1, jako by byla lehčí.
klíčem je zrychlení. Částice 2 pocítila náhlý nárůst protilehlé síly, protože zvýšila svou rychlost směrem k částici 1. Kdyby se částice 2 přiblížila k 1 z velké vzdálenosti s ustálenou rychlostí, 1 a 2 by zažily stejné a opačné síly.

elektronové dráhy

podívejme se nyní na to, jak by to mohlo ovlivnit atomy. Když elektron klesne na nižší oběžnou dráhu, pohybuje se blíže k jádru a cítí větší přitažlivou sílu. Podobně jako planety blízko Slunce by musely obíhat rychleji, aby si udržely stabilitu.
ale nejen, že se zvýší rychlost, tak i jeho zrychlení při pohledu v jednom směru. Účinky tohoto lze vidět v následujícím pořadí diagramů.

výše jsou dva atomy vodíku s jejich elektrony v různých oběžných drahách. Horní atom má vysokou oběžnou dráhu a spodní atom nízkou oběžnou dráhu. Vlevo je stěna elektronů, které představují vnější kůži blížícího se objektu. V této vzdálenosti je stěna příliš daleko, aby měla velký vliv na atomy.

nyní je stěna (výše) ve vzdálenosti, kde s ní částice interagují. Elektron s vysokou oběžnou dráhou se pohybuje a pomalu zrychluje do pole blížící se stěny. V důsledku toho se cítí slabá protichůdná síla. Elektron s nízkou oběžnou dráhou se rychle pohybuje a zrychluje do pole blížící se stěny. V důsledku toho se cítí silná protichůdná síla.
Konečným výsledkem je, že atom s nízkou oběžnou dráhou se pohybuje rychleji od objektu než atom s vysokou oběžnou dráhou.

Toto dává dojem, že na nízké oběžné dráze atom váží méně než high-oběžné dráze, atom, vzhledem k tomu, že ve skutečnosti váží stejně.

vlastní pohon?

jak je patrné z výše uvedených ukázek, které byly mimochodem odvozeny z počítačových simulací, omezená rychlost světla způsobuje, že hybnost a střed hmoty nejsou dokonale zachovány. Z toho vyplývá zajímavá aplikace.
teoreticky by mělo být možné způsobit, že objekt posune svůj těžiště, aniž by tlačil proti vnějšímu objektu. To by zahrnovalo elektricky nabité komponenty uvnitř objektu, které by byly vhodným způsobem zrychleny proti sobě. Provedeno správně, to by způsobilo čistý přírůstek rychlosti v daném směru. Pokud by se tento proces opakoval nepřetržitě, vedlo by to k jakékoli požadované koncové rychlosti, dokonce větší než rychlost světla, aniž by bylo nutné vysunout pohonnou látku.
Chcete-li vidět, jak by to mohlo fungovat ve skutečnosti, viz tato doplňková kapitola:
Nápady pro Propellantless Pohonu (

Další úvahy

výše uvedené domněnky jsou neúplné, jelikož neposkytují rovnice předpovědět rozsah zdánlivá ztráta hmotnosti. Musíme také zvážit, jak může tato hmotnostní ztráta fungovat v případě měření gravitace a jak by spojení protonů a neutronů mohlo způsobit změny hmotnosti.

Závěry

newtonovy pohybové zákony jsou založeny na předpokladu, že protichůdné síly mezi objekty provozovat současně. Za normálních situací je to naprosto rozumný předpoklad. “Dotyk”, vzdálenost mezi nimi je tak malá a rychlost světla tak rychlá, že doba odezvy může být považována za okamžitou.
ale není tomu tak vždy. Konečná rychlost elektrických polí znamená, že v situacích vysokého zrychlení pohyb nabitých částic nesleduje očekávanou newtonovskou dráhu.
když se elektrony pohybují do nižších oběžných drah, pohybují se a zrychlují rychleji. To způsobuje, že dávají vyšší stupeň odpuzování proti poli druhého atomu. To zase může způsobit, že první atom vypadá, že ztratil hmotu, i když se jeho hmotnost ve skutečnosti nezměnila.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.