Materie-Energie-Umwandlung

Einer der interessanteren Tricks, die unser Universum zaubern kann, ist die Umwandlung zwischen Materie und Energie. Immer wenn Sie einen Lichtblitz sehen, verliert das Objekt, das ihn emittiert hat, einen kleinen Bruchteil seiner Masse und wird etwas heller. Ebenso, wenn ein Objekt Licht absorbiert, gewinnt es eine winzige Menge an Masse.Dieses Phänomen ist als Materie-Energie-Umwandlung bekannt. Es arbeitet auf allen Ebenen, von der Bewegung von Elektronen zwischen Schalen bis zur Fusion und Spaltung von Protonen und Neutronen innerhalb eines Kerns. Dass so etwas überhaupt passieren könnte, ist erstaunlich, denn auf den ersten Blick scheinen elektromagnetische Wellen wie sichtbares Licht nichts mit den harten Substanzen zu tun zu haben, aus denen Alltagsgegenstände bestehen.

E=mc 2 ?

Das Ausmaß der Umwandlung zwischen Materie und Energie wird durch die berühmte relativistische Energiegleichung E=mc2 bestimmt. Im Wesentlichen sagt uns diese Gleichung, dass die Gesamtmenge an Energie, die in einer gegebenen Menge an Masse verfügbar ist (wenn die Masse vollständig in Energie umgewandelt werden könnte), durch Multiplikation der Masse mit der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat bestimmt wird.
Diese Formel kann unter Verwendung einer Anwendung der Speziellen Relativitätstheorie (SR) Formeln abgeleitet werden. Ich werde die Ableitung weglassen, wie Sie sie an einer Reihe von Websites wie hier sehen können .
An diesem Punkt können einige Alarme ertönen. In den ersten Kapiteln dieses Buches habe ich eine Vielzahl von Problemen hervorgehoben, die der SR-Theorie innewohnen. Wenn diese Einwände wahr sind, bedeutet das, dass diese Energiegleichung fehlerhaft ist? Lassen Sie uns diese Frage vorerst beiseite legen und den Konvertierungsprozess untersuchen.

Bohrs Wasserstoffatom

In einem früheren Kapitel über Atomorbits haben wir uns das Bohr-Modell des Wasserstoffatoms angesehen. In diesem Modell umkreisen Elektronen nur in festen Abständen vom Kern und können zwischen Umlaufbahnen springen. Wenn ein Elektron von einer hohen in eine niedrige Umlaufbahn springt (d. H. Näher am Kern), emittiert es ein Photon mit einer bestimmten Frequenz.Das Materie-Energie-Umwandlungsprinzip sagt uns, dass, wenn dieses Photon emittiert wird, die Masse des Atoms abnehmen muss, weil Energie erzeugt wurde. Dies wirft eine interessante Frage auf. Wenn seine Masse abnahm, welcher Teil des Atoms verlor sie?
Die einzigen Teile des Wasserstoffatoms sind das Proton und das Elektron. Verliert das Proton oder das Elektron? Da das Elektron das Objekt ist, das sich zwischen Schalen (in festen Umlaufbahnen) bewegt, verliert es vermutlich an Masse. Leider schafft dies ein Dilemma.Bohr hat eine Gleichung, die genau die Frequenzen vorhersagt, basierend auf welchen Schalen sich das Elektron bewegt. Es ist in dieser Form:

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

Wobei f die Frequenz, k die Coulomb-Konstante, e die Elektronenladung, h die Plancksche Konstante und n1 und n2 sind ganzzahlige Werte für die Schalen, zwischen denen bewegt wird.
Beachten Sie die m in dieser Gleichung, die Elektronenmasse darstellt. Wenn sich diese Masse ändern würde, wäre die berechnete Frequenz anders. Wenn man bedenkt, dass diese Gleichung die Frequenzen korrekt vorhersagt, bedeutet dies, dass sich ihre Masse nicht ändern kann. Schließlich würde eine Abnahme der Masse sicherlich sein Orbitalverhalten verändern.Wenn das Elektron also keine Masse verliert, was ist dann mit dem Proton? Da es viel schwerer ist, könnte sich das Proton sicherlich leisten, einiges zu verlieren. Soweit wir jedoch sagen können, ist das Proton nicht am Übergang des Elektrons zwischen den Schalen beteiligt. Es scheint also seltsam, dass das Proton etwas verlieren sollte.Die Tatsache, dass chemische und nukleare Reaktionen, die Energie freisetzen, dazu führen, dass Materialien leichter werden, ist jedoch unbestreitbar. Wie konnte das sein? Wir müssen die möglichen Mechanismen genauer untersuchen.

Masse verstehen

Um zu bestimmen, wie der Massenverlust auftreten könnte, betrachten Sie die Frage:
Was ist Masse?
Okay, das ist eine schwierige Frage. Also lasst uns umformulieren:
Wie messen wir Masse?
Das ist einfacher. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten: eine durch Schwerkraft und die andere durch Trägheit. Unter Verwendung der Schwerkraft, Masse zu messen bezieht mit ein, eine Masse auf eine Skala, wie eine Frühlingsskala zu setzen und die Kraft zu messen, die auf der Ausdehnung seines Frühlinges basiert. Die Verwendung von Trägheit beinhaltet das Anwenden einer bekannten Kraft auf eine Masse und das Messen ihrer Beschleunigungsrate.
In der Praxis ist die Schwerkraft die einfachere Option. Das Problem mit der Schwerkraft ist jedoch, dass die Messung mit dem Gravitationsfeld variiert. Zum Beispiel würde eine Federskala ein Sechstel Masse auf dem Mond und Null an Bord eines umlaufenden Satelliten anzeigen. Trägheitsbasierte Messungen haben dieses Problem nicht und liefern überall das gleiche Ergebnis. Konzentrieren wir uns also auf trägheitsbasierte Messungen und lassen Sie die Gravitationsaspekte für später.
Nun zu einer sehr wichtigen Frage:
Wenn etwas über den Prozess der Elektronen, die sich zwischen Umlaufbahnen bewegen, dazu führt, dass eine trägheitsbasierte Messung einen geringeren Massenwert registriert, würde das das Objekt leichter erscheinen lassen?

Newton verstehen

Die Bewegung von Objekten wird durch Newtons Bewegungsgesetze geregelt. Diese Gesetze umfassen die Prinzipien der Impuls- und Energieeinsparung. Wir sehen diese Prinzipien überall in Aktion; Sie funktionieren immer und wir haben keinen Grund, daran zu zweifeln.
Ein weiteres Prinzip ist das Kräftegleichgewicht. Wenn Sie gegen ein Objekt drücken, drückt es immer mit gleicher Kraft in die entgegengesetzte Richtung zurück. Der Durchschnittsmensch weiß dies als “für jede Handlung gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion”. Zu “gleich und entgegengesetzt“ können wir ”und gleichzeitig” hinzufügen, weil die Reaktionskraft immer im selben Moment zurückdrückt.
Oder doch?
Wenn du gegen etwas drückst, drückst du es nicht direkt. Wenn Sie beispielsweise eine Tür mit der Hand schließen, berührt Ihre Hand die Tür nicht. Stattdessen kommen die Elektronen, die die Atome in der äußeren Schicht Ihrer Hand umgeben, den Elektronen auf der Oberfläche der Tür sehr nahe. An diesem Punkt drücken die Elektronenschichten gegeneinander und zwingen Ihre Hand und die Tür auseinander.
Die Kraft, die Sie fühlen, ist wirklich nur elektrostatische Abstoßung. Die Elektronen stoßen sich mit gleicher Kraft ab und dies ergibt den “gleichen und entgegengesetzten” Effekt.
Hier wird es interessant. Wir wissen, dass geladene Teilchen sich nicht direkt drücken. Stattdessen erzeugt jedes Teilchen ein Feld, und dieses Feld interagiert dann mit anderen Teilchen. Wir wissen auch, dass sich das Feld mit einer begrenzten Geschwindigkeit bewegt: Lichtgeschwindigkeit. Daher gibt es eine kurze Verzögerung zwischen der Bewegung eines Partikels und der Reaktion eines anderen Partikels.

Eine Zeit- und Bewegungsstudie

Um die Folgen einer verzögerten Reaktion zu verstehen, untersuchen wir eine einfache Situation mit geladenen Teilchen. Siehe unten.

Im obigen Diagramm werden zwei positiv geladene Teilchen in einem festen Abstand voneinander gehalten. Die linken und rechten Partikel seien Partikel 1 und 2 und blau bzw. grün gefärbt. Der Einfachheit halber sagen wir, dass sie jeweils eine Ladung von 1 (in beliebigen Einheiten), eine Masse von 1 und einen Abstand von 1 voneinander haben. Sie stehen still, werden an Ort und Stelle gehalten und erfahren jeweils eine Gegenkraft von 1 Newton.Die Lichtgeschwindigkeit sei 1 Einheit-Entfernung pro Sekunde, was bedeutet, dass es 1 Sekunde dauert, bis das Feld zwischen den Partikeln kommuniziert. Die Zeit ist jetzt t-minus-eine Sekunde. Wir werden die Partikel 1 Sekunde lang in dieser Position halten, damit sich ihre statischen Felder gegenseitig erreichen können.
Jetzt bei t = 0 Sekunden geben wir beide Partikel frei. Wir geben dem Teilchen 2 (rechts) einen scharfen Schub in Richtung des Teilchens 1, so dass es sich jetzt mit 50% der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Siehe unten.

Wir möchten wissen, wie sich diese Teilchen bewegen und welche Auswirkungen die Feldverzögerung haben wird. Nehmen wir jedoch zunächst den Standardfall, in dem wir davon ausgehen, dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit bewegt und die Wechselwirkungen unmittelbar sind.

Die obigen Diagramme zeigen die Position und Geschwindigkeit der Partikel 1 und 2 über einen Zeitraum von 1,5 Sekunden. Abbildung 3 zeigt ihre Positionen (blaue und grüne Linien), wobei die rote Linie ihr Massenmittelpunkt ist. Abbildung 4 zeigt Geschwindigkeiten, wobei die rote Linie den Gesamtimpuls darstellt. Wie erwartet bewegt sich der Massenschwerpunkt in einer geraden Linie und der Impuls bleibt erhalten; durchgehend konstant bleiben.
Als nächstes setzen wir die Lichtgeschwindigkeit auf 1 Einheit pro Sekunde.

Abbildung 5 zeigt die Geschwindigkeit der Teilchen 1 und 2 und den Gesamtimpuls (gleiches Farbschema). Für die ersten 0,8 Sekunden folgt Partikel 1 (blau) dem gleichen Pfad wie zuvor. Plötzlich wird es vom Aufprall des Feldes von Teilchen 2 getroffen, das sich mit 0,5 c nach links bewegt, was die Beschleunigung von 1 erhöht.
Partikel 2 (grün) unterscheidet sich vom vorherigen Szenario. Es spürt sofort einen großen Widerstand aufgrund seiner Bewegung in das vorhandene Feld von Teilchen 1. Bei 1.2 Sekunden spürt Partikel 2 eine Abnahme der Kraft aus dem Feld von Partikel 1 aufgrund der anfänglichen Bewegung von Partikel 1 nach links. Die Beschleunigung von Teilchen 2 nimmt dann leicht ab (obwohl in der Grafik schwer zu erkennen).Wichtiger ist jedoch das Momentum (rote Linie). Wie man sehen kann, ist es keine Konstante und ist nicht erhalten geblieben.
Das obige Diagramm (Abbildung 5) wurde mit dem VDCL (Velocity Dependent Coulomb’s Law) erstellt. Zum Vergleich wiederholen wir das Obige mit dem Standard-Coulomb-Gesetz.

In Abbildung 6 verhält sich Partikel 1 (blau) sehr ähnlich der Situation mit unendlicher Lichtgeschwindigkeit. Dann wird es bei 0,92 Sekunden von einer Zunahme des Feldes von Teilchen 2 getroffen. Partikel 2 (grün) spürt sofort eine Zunahme der Kraft von Partikel 1, da es näher ist; obwohl die Kraft nicht so stark zunimmt wie beim VDCL-Fall. Nach 1,36 Sekunden nimmt die Kraft aufgrund der Bewegung von Partikel 1 leicht ab (obwohl dies in der Grafik schwer zu erkennen ist).
Das Wichtigste ist jedoch, dass der Impuls (rote Linie) selbst mit dem Standard-Coulomb-Gesetz immer noch nicht erhalten bleibt. Obwohl es nicht so verzerrt ist wie der VDCL-Fall.

Krocket spielen

Schauen wir uns an, wie dies zu einem Massenverlust führen kann. Stellen Sie sich vor, Sie halten einen Krockethammer (Hammer) und sind dabei, einen Ball zu schlagen. Siehe unten.

Im linken Rahmen nähert sich der Hammer einer stationären Kugel. Im rechten Rahmen hat der Schläger den Ball getroffen, der jetzt wegrast. Wenn wir die Masse des Schlägels und die Geschwindigkeiten der Objekte vorher und nachher kennen, können wir die Masse des Balls anhand von Impulserhaltungsgesetzen bestimmen.Nehmen wir nun an, es gibt eine Reihe ähnlicher Bälle, und Sie schlagen sie nacheinander an, wobei Sie jedes Mal die gleiche Kraft auf den Schläger ausüben. Dabei beobachten Sie, dass sich jeder Ball mit der gleichen Geschwindigkeit wegbewegt. Sie schlagen dann einen Ball und bemerken, dass er sich mit höherer Geschwindigkeit wegbewegt.
Dein erster Gedanke wäre, dass dieser Ball leichter sein muss als die anderen. Diese Schlussfolgerung würde auf Ihrer Vertrautheit mit den Gesetzen basieren. Aber was wäre, wenn der Ball tatsächlich die gleiche Masse hätte wie die anderen und trotzdem irgendwie härter gegen den Hammer drücken würde? Dies würde dazu führen, dass es sich schneller wegbewegt und den Eindruck erweckt, es sei leichter. Wie konnte das passieren?
Vergleichen Sie die Bewegung zwischen den Abbildungen 4 und 5 oben. Beachten Sie in Abbildung 5, dass Partikel 2 (grün), als es sich anfänglich schnell nach links bewegte, einen starken Rückstoß vom Feld von Partikel 1 (blau) erhielt. Dadurch wurde Partikel 2 schneller nach rechts geschoben als in Abbildung 4. Anfangs sah Teilchen 1 nichts von dieser Bewegung und war zu diesem Zeitpunkt weiter entfernt und hatte daher weniger Reaktion. Das Endergebnis war, dass sich Partikel 2 schneller von Partikel 1 entfernte, als wäre es leichter.
Der Schlüssel hier ist Beschleunigung. Teilchen 2 spürte einen plötzlichen Anstieg der Gegenkraft, weil es seine Geschwindigkeit in Richtung Teilchen 1 erhöhte. Hätte sich Partikel 2 aus großer Entfernung mit konstanter Geschwindigkeit 1 genähert, würden 1 und 2 gleiche und entgegengesetzte Kräfte erfahren.

Elektronenbahnen

Schauen wir uns nun an, wie sich dies auf Atome auswirken könnte. Wenn ein Elektron in eine niedrigere Umlaufbahn fällt, bewegt es sich näher an den Kern heran und spürt eine größere Anziehungskraft. Ähnlich wie Planeten in der Nähe der Sonne müsste es schneller umkreisen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten.
Aber nicht nur die Geschwindigkeit wird zunehmen, sondern auch die Beschleunigung, wenn man sie in eine Richtung betrachtet. Die Auswirkungen davon können in der folgenden Reihenfolge von Diagrammen gesehen werden.

Oben sind zwei Wasserstoffatome mit ihren Elektronen in verschiedenen Bahnen. Das obere Atom hat eine hohe Umlaufbahn und das untere Atom eine niedrige Umlaufbahn. Links befindet sich eine Elektronenwand, die die Außenhaut eines sich nähernden Objekts darstellt. In dieser Entfernung ist die Wand zu weit entfernt, um viel Einfluss auf die Atome zu haben.

Jetzt befindet sich die Wand (oben) in der Entfernung, in der die Partikel mit ihr interagieren. Das Hochbahnelektron bewegt sich und beschleunigt langsam in das Feld der sich nähernden Wand. Als Ergebnis, wenn fühlt sich eine schwache Gegenkraft. Das Elektron mit niedriger Umlaufbahn bewegt sich und beschleunigt schnell in das Feld der sich nähernden Wand. Infolgedessen spürt es eine starke Gegenkraft.Das Endergebnis ist, dass sich das Atom mit niedriger Umlaufbahn schneller vom Objekt entfernt als das Atom mit hoher Umlaufbahn.

Dies erweckt den Eindruck, dass das Atom mit niedriger Umlaufbahn weniger wiegt als das Atom mit hoher Umlaufbahn, während sie in Wirklichkeit dasselbe wiegen.

Selbstantrieb?

Wie aus den obigen Demonstrationen hervorgeht, die übrigens aus Computersimulationen abgeleitet wurden, führt die begrenzte Lichtgeschwindigkeit dazu, dass Impuls und Massenschwerpunkt nicht perfekt erhalten bleiben. Daraus ergibt sich eine interessante Anwendung.Es sollte theoretisch möglich sein, ein Objekt dazu zu bringen, seinen Massenschwerpunkt zu verschieben, ohne gegen ein äußeres Objekt zu drücken. Dabei würden elektrisch geladene Komponenten innerhalb des Objekts in geeigneter Weise gegeneinander beschleunigt. Richtig gemacht, würde dies zu einem Nettoinkrement der Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung führen. Wenn dieser Vorgang kontinuierlich wiederholt würde, würde er zu jeder gewünschten Endgeschwindigkeit führen, sogar größer als die Lichtgeschwindigkeit, ohne dass ein Treibmittel ausgestoßen werden müsste.
Um zu sehen, wie dies in der Realität funktionieren könnte, lesen Sie dieses ergänzende Kapitel:
Ideen für treibstofflosen Antrieb (

Weitere Überlegungen

Die obigen Vermutungen sind unvollständig, da sie keine Gleichungen zur Vorhersage des Ausmaßes des scheinbaren Massenverlusts liefern. Wir müssen auch überlegen, wie dieser Massenverlust bei Gravitationsmessungen funktionieren kann und wie die Verbindung von Protonen und Neutronen zu Massenänderungen führen kann.

Schlussfolgerungen

Newtons Bewegungsgesetze basieren auf der Annahme, dass gegensätzliche Kräfte zwischen Objekten gleichzeitig wirken. Unter normalen Umständen ist dies eine durchaus vernünftige Annahme. Wenn zwei Objekte aufeinandertreffen, d. H. Sich berühren, ist der Abstand zwischen ihnen so gering und die Lichtgeschwindigkeit so schnell, dass die Reaktionszeit als augenblicklich angesehen werden kann.
Aber das ist nicht immer der Fall. Die endliche Geschwindigkeit elektrischer Felder bedeutet, dass die Bewegung geladener Teilchen unter Situationen hoher Beschleunigung nicht dem erwarteten Newtonschen Pfad folgt.Wenn sich Elektronen in niedrigere Bahnen bewegen, bewegen sie sich und beschleunigen schneller. Dies bewirkt, dass sie ein höheres Maß an Abstoßung gegen das Feld eines zweiten Atoms ergeben. Dies wiederum kann dazu führen, dass das erste Atom an Masse verloren zu haben scheint, obwohl sich seine Masse tatsächlich nicht geändert hat.

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