Anyag-energia átalakítás

az univerzum egyik legérdekesebb trükkje az anyag és az energia közötti átalakulás. Amikor fényvillanást lát, az azt kibocsátó tárgy tömegének kis részét elveszíti, kissé könnyebbé válik. Hasonlóképpen, amikor egy tárgy elnyeli a fényt, kis mennyiségű tömeget nyer.
ezt a jelenséget anyag-energia átalakításnak nevezik. Minden szinten működik, az elektronok héjak közötti mozgásától a protonok és neutronok fúziójáig és hasadásáig egy magon belül. Az, hogy ilyen dolog egyáltalán megtörténhet, elképesztő, mert az elektromágneses hullámoknak, például a látható fénynek, úgy tűnik, nincs semmi közös vonása azokkal a kemény anyagokkal, amelyekből a mindennapi tárgyak állnak.

E=mc 2 ?

Az anyag és az energia közötti átalakulás mértékét a híres relativisztikus energiaegyenlet szabályozza E=mc2. Lényegében ez az egyenlet azt mondja nekünk, hogy az adott tömegmennyiségben rendelkezésre álló teljes energiamennyiséget (ha a tömeg teljesen átalakítható energiává) úgy határozzuk meg, hogy megszorozzuk a tömeget a fénysebességgel négyzet.
ezt a képletet a speciális relativitáselmélet (Sr) képletek alkalmazásával lehet levezetni. Kihagyom a levezetést, amint azt számos webhelyen láthatja, például itt .
ezen a ponton néhány riasztás hallható. A könyv korai fejezeteiben az SR elméletben rejlő problémák sokaságát emeltem ki. Ha ezek a kifogások igazak, ez azt jelenti, hogy ez az energiaegyenlet hibás? Tegyük félre ezt a kérdést, és vizsgáljuk meg a megtérés folyamatát.

Bohr hidrogénatomja

az atomi pályákról szóló korábbi fejezetben a hidrogénatom Bohr-modelljét vizsgáltuk. Ebben a modellben az elektronok csak meghatározott távolságra keringenek a magtól, és képesek ugrani a pályák között. Amikor egy elektron magasról alacsony pályára ugrik (azaz közelebb a maghoz), meghatározott frekvenciájú fotont bocsát ki.
Az anyag-energia konverziós elv azt mondja nekünk, hogy amikor ezt a fotont kibocsátják, az atom tömegének csökkennie kell, mert az energia létrejött. Ez érdekes kérdést vet fel. Ha a tömege csökkent, az atom melyik része elvesztette?
a hidrogénatom egyetlen része a proton és az elektron. A proton vagy az elektron veszít? Mivel az elektron az a tárgy, amely a héjak között mozog (rögzített pályákon), feltehetően ez veszíti el a tömeget. Sajnos ez dilemmát okoz.
Bohrnak van egy egyenlete, amely pontosan megjósolja azokat a frekvenciákat, amelyek alapján az elektron mozog. Ebben a formában van:

f=\frac{2 \pi ^2 k^2 E^4 m}{h^3}\bal(\frac{1}{n_1{}^2}-\frac{1}{n_2{}^2}\jobb)

ahol f frekvencia, k coulomb állandója, e elektrontöltés, h Planck a konstans és az N1 és N2 a között mozgó héjak egész értékei.
vegye figyelembe az M-t ebben az egyenletben, amely az elektron tömegét képviseli. Ha ez a tömeg változna, akkor a számított frekvencia más lenne. Figyelembe véve, hogy ez az egyenlet helyesen jósolja meg a frekvenciákat, ez azt jelzi, hogy tömege nem változhat. Végül is a tömeg csökkenése biztosan megváltoztatja az orbitális viselkedését.
tehát, ha az elektron nem veszít tömeget, mi a helyzet a protonnal? Mivel sokkal nehezebb, a proton minden bizonnyal megengedheti magának, hogy elég sokat veszítsen. Amennyire meg tudjuk mondani, a proton nem vesz részt az elektron átmenetében a héjak között. Tehát furcsának tűnik, hogy a protonnak bármit el kell veszítenie.
az a tény azonban, hogy az energiát felszabadító kémiai és nukleáris reakciók miatt az anyagok könnyebbé válnak, tagadhatatlan. Hogy lehet ez? Mélyebben meg kell vizsgálnunk a lehetséges mechanizmusokat.

A tömeg megértése

annak meghatározásához, hogy a tömegveszteség hogyan fordulhat elő, fontolja meg a kérdést:
Mi a tömeg?
Oké, ez egy kemény. Tehát fogalmazzunk újra:
Hogyan mérjük a tömeget?
ez könnyebb. Alapvetően két módja van: az egyik a gravitáció, a másik a tehetetlenség. A tömeg mérésére a gravitáció használata magában foglalja a tömeg mérlegre helyezését, mint egy rugós skála, és az erő mérését a rugó nyúlványa alapján. A tehetetlenség használata magában foglalja egy ismert erő alkalmazását a tömegre és annak gyorsulási sebességének mérését.
gyakorlati szempontból a gravitáció a könnyebb megoldás. A gravitáció problémája azonban az, hogy a mérés a gravitációs mezőtől függ. Például egy tavaszi skála egy hatodik tömeget mutatna a Holdon, nulla pedig egy keringő műhold fedélzetén. A tehetetlenségi méréseknek nincs ilyen problémája, és mindenhol ugyanazt az eredményt adják. Tehát koncentráljunk a tehetetlenségi mérésekre, és hagyjuk a gravitációs szempontokat későbbre.
most egy nagyon fontos kérdés:
Ha valami a pályák között mozgó elektronok folyamatával kapcsolatban egy tehetetlenségi alapú mérést okozott, hogy kisebb tömegértéket regisztráljon, akkor ez könnyebbé tenné az objektumot?

Newton megértése

a tárgyak mozgását Newton Mozgástörvényei szabályozzák. Ezek a törvények magukban foglalják a lendület és az energiatakarékosság elveit. Ezeket az elveket mindenütt látjuk, mindig működnek, és nincs okunk kételkedni bennük.
Egy másik elv az erők egyensúlya. Ha nekinyomsz egy tárgynak, az mindig ugyanakkora erővel ‘tolja vissza’ az ellenkező irányba. Az átlagember ezt úgy tudja, hogy ” minden cselekedetre egyenlő és ellentétes reakció van”. Az “egyenlő és ellentétes “ – hoz hozzáadhatjuk az” és egyidejű” – t, mert a reakcióerő mindig ugyanabban a pillanatban tolódik vissza.
vagy mégis?
amikor valami ellen nyomsz, valójában nem közvetlenül nyomod. Például amikor a kezével becsuk egy ajtót, a keze valójában nem érinti az ajtót. Ehelyett a kezed külső rétegében lévő atomokat körülvevő elektronok nagyon közel kerülnek az ajtó felületén lévő elektronokhoz. Ezen a ponton az elektronrétegek egymáshoz nyomódnak, szétfeszítve a kezét és az ajtót.
az erő, amit érzel, valójában csak elektrosztatikus taszítás. Az elektronok egyenlő erővel taszítják egymást, és ez “egyenlő és ellentétes” hatást eredményez.
most itt van, ahol ez lesz érdekes. Tudjuk, hogy a töltött részecskék nem nyomják egymást közvetlenül. Ehelyett minden részecske létrehoz egy mezőt, majd ez a mező kölcsönhatásba lép más részecskékkel. Azt is tudjuk, hogy a mező korlátozott sebességgel halad: fénysebességgel. Ezért van egy rövid késleltetés között, amikor az egyik részecske mozog, a másik pedig reagál.

idő-és Mozgásvizsgálat

a késleltetett válasz következményeinek megértéséhez tanulmányozzunk egy egyszerű helyzetet töltött részecskékkel. Lásd alább.

a fenti ábrán két pozitív töltésű részecske rögzített távolságban van egymástól. A bal oldali és a jobb oldali részecskéket nevezzük 1-es és 2-es részecskéknek, illetve kék, illetve zöld színű részecskéknek. Az egyszerűség kedvéért azt mondjuk, hogy mindegyik töltése 1 (tetszőleges egységekben), tömege 1, és 1 távolság választja el egymástól. Mozdulatlanul állnak, a helyükön vannak, és mindegyik 1 Newton ellentétes erőt tapasztal.
legyen a fénysebesség 1 egységnyi távolság másodpercenként, ami azt jelenti, hogy 1 másodpercre lesz szükség ahhoz, hogy a mező kommunikáljon a részecskék között. Az idő most t-mínusz-egy másodperc. A részecskéket ebben a helyzetben tartjuk 1 másodpercig, hogy időt hagyjunk statikus mezőik elérésére.
most t=0 másodpercnél mindkét részecskét felszabadítjuk. A 2.részecskét (jobb oldalon) éles lökést adunk az 1. részecske felé, így most a fénysebesség 50% – ával halad. Lásd alább.

szeretnénk tudni, hogy ezek a részecskék hogyan fognak mozogni, és milyen hatása lesz a mező késleltetésének. Először is vegyük azt a standard esetet, amikor feltételezzük, hogy a fény végtelen sebességgel mozog, és az interakciók azonnali.

a fenti diagramok az 1 és 2 részecskék helyzetét és sebességét mutatják egy 1,5 másodperces periódus alatt. A 3. ábra mutatja helyzetüket (kék és zöld vonalak), a piros vonal pedig a tömegközéppont. A 4. ábra a sebességeket mutatja, a piros vonal pedig a teljes lendületet képviseli. Ahogy az várható volt, a tömegközéppont egyenes vonalban mozog, és a lendület megmarad; állandó marad.
ezután a fény sebességét 1 egység / másodpercre állítjuk be.

az 5.ábra az 1. és 2. részecskék sebességét és a teljes lendületet mutatja (azonos színséma). Az első 0,8 másodpercben az 1. részecske (kék) ugyanazt az utat követi, mint korábban. Hirtelen eltalálja a 2. részecske mezőjének 0,5 c-nál balra mozgó hatása, ami növeli az 1 gyorsulását.
A 2. részecske (zöld) eltér az előző forgatókönyvtől. Azonnal nagy ellenállást érez az 1. részecske meglévő mezőjébe való mozgása miatt. Nál nél 1.2 másodperc, a 2. részecske az erő csökkenését érzi az 1. részecske mezőjétől, az 1.részecske kezdeti balra történő mozgása miatt. A 2. részecske gyorsulása ezután kissé csökken (bár a diagramon nehéz látni).
a legfontosabb azonban a lendület (piros vonal). Mint látható, ez nem állandó, és nem maradt fenn.
a fenti diagram (5. ábra) a Vdcl (sebességfüggő Coulomb-törvény) felhasználásával készült. Összehasonlításképpen ismételjük meg a fentieket a standard Coulomb-törvény használatával.

a 6.ábrán az 1. részecske (kék) nagyon hasonlóan viselkedik a végtelen fénysebesség helyzetéhez. Ezután 0,92 másodpercen belül a 2. részecskéből származó mező növekedése éri el. A 2. részecske (zöld) azonnal érzi az erő növekedését az 1.részecskétől, mivel közelebb van; bár az erő nem növekszik annyira, mint a VDCL esetében. Ezután 1,36 másodpercen belül enyhe esést tapasztal az 1. részecske mozgása miatt (bár a diagramon nehéz látni).
fontos azonban megjegyezni, hogy a lendület (piros vonal) még mindig nem maradt fenn, még a standard Coulomb-törvény mellett sem. Bár nem olyan torz, mint a VDCL eset.

krokett lejátszása

nézzük meg, hogy ez hogyan vezethet tömegveszteséghez. Képzeld el, hogy a kezében egy krokett kalapács (kalapács), és arról, hogy elérje a labdát. Lásd alább.

a bal oldali keretben a kalapács egy álló labdához közeledik. A jobb keretben a kalapács eltalálta a labdát, amely most gyorsul el. Ha ismerjük a kalapács tömegét és az előtte és utána lévő tárgyak sebességét, akkor a labda tömegét a lendület megőrzési törvényei alapján határozhatjuk meg.
most tegyük fel, hogy van egy sor hasonló golyó, és egyenként megüti őket, minden alkalommal ugyanazt az erőt alkalmazva a kalapácsra. Ahogy ezt teszed, megfigyeled, hogy minden labda ugyanolyan sebességgel mozog. Ezután eltalál egy labdát, és észreveszi, hogy az nagyobb sebességgel távolodik el.
az első gondolat az lenne, hogy ez a labda legyen könnyebb, mint a többiek. Ez a következtetés a momentum törvények ismeretén alapulna. De mi van, ha a labda valójában ugyanolyan tömegű volt, mint a többiek, mégis valahogy erősebben nyomult a kalapácshoz? Ez azt eredményezné, hogy gyorsabban elmozdulna, és azt a benyomást keltené, hogy könnyebb. Hogy történhetett ez?
hasonlítsa össze a fenti 4.és 5. ábra közötti mozgást. Az 5. ábrán vegye figyelembe, hogy amikor a 2.részecske (zöld) kezdetben gyorsan balra mozgott, erős visszahúzódást kapott az 1. részecske (kék) mezőjétől. Ez okozta a 2. részecske gyorsabb jobbra tolását, mint a 4. ábrán. Kezdetben az 1. részecske nem látta ezt a mozgást, és mire ez megtörtént, távolabb volt, így kevesebb válasz volt. A nettó eredmény az volt, hogy a 2.részecske gyorsabban elmozdult az 1. részecskétől, mintha könnyebb lenne.
a kulcs itt a gyorsulás. A 2. részecske az ellentétes erő hirtelen növekedését érezte, mert növelte sebességét az 1. részecske felé. Ha a 2-es részecske nagy távolságból, állandó sebességgel közelítené meg az 1-et, az 1-es és a 2-es egyenlő és ellentétes erőket tapasztalna.

elektron pályák

most nézzük meg, hogy ez hogyan befolyásolhatja az atomokat. Amikor egy elektron alacsonyabb pályára esik, közelebb kerül a maghoz, és nagyobb vonzó erőt érez. Hasonlóan a naphoz közeli bolygókhoz, a stabilitás fenntartása érdekében gyorsabban kell keringenie.
de nem csak a sebesség növekedése, így is lesz a gyorsulás nézve egy irányban. Ennek hatásai a következő diagramsorozatban láthatók.

fent két hidrogénatom van, elektronjaik különböző pályákon vannak. A felső atomnak magas pályája van, az alsó atomnak pedig alacsony pályája. Balra egy elektronfal található, amely egy közeledő tárgy külső bőrét képviseli. Ezen a távolságon a fal túl messze van ahhoz, hogy nagy hatással legyen az atomokra.

most a fal (fent) olyan távolságban van, ahol a részecskék kölcsönhatásba lépnek vele. A magas pályájú elektron lassan mozog és gyorsul a közeledő fal mezőjébe. Ennek eredményeként, ha gyenge ellentétes erőt érez. Az alacsony pályájú elektron gyorsan mozog és gyorsul a közeledő fal mezőjébe. Ennek eredményeként erős ellentétes erőt érez.
a végeredmény az, hogy az alacsony pályájú atom gyorsabban távolodik az objektumtól, mint a magas pályájú atom.

Ez azt a benyomást kelti, hogy az alacsony pályájú atom súlya kisebb, mint a magas pályájú atom, míg a valóságban ugyanaz.

Önhajtás?

amint az a fenti demonstrációkból is látható, amelyek egyébként számítógépes szimulációkból származnak, a korlátozott fénysebesség miatt a lendület és a tömegközéppont nem marad meg tökéletesen. Érdekes alkalmazás merül fel ebből.
elméletileg lehetségesnek kell lennie, hogy egy tárgy eltolja tömegközéppontját anélkül, hogy egy külső tárgyhoz nyomódna. Ez magában foglalná az objektumon belüli elektromosan töltött alkatrészek megfelelő módon történő felgyorsítását egymás ellen. Helyesen végzett, ez a sebesség nettó növekedését okozná egy adott irányban. Ha ezt a folyamatot folyamatosan megismételnénk, az bármilyen kívánt végsebességhez vezetne, még a fénysebességnél is nagyobb, anélkül, hogy hajtóanyagot kellene kilöknie.
Ha meg szeretné tudni, hogy ez hogyan működhet a valóságban, olvassa el ezt a kiegészítő fejezetet:
ötletek a hajtóanyag nélküli meghajtáshoz (

egyéb megfontolások

a fenti feltételezések hiányosak, mivel nem adnak egyenleteket a látszólagos tömegveszteség mértékének előrejelzésére. Azt is meg kell vizsgálnunk, hogy ez a tömegveszteség hogyan működhet gravitációs mérések esetén, és hogy a protonok és neutronok összekapcsolása hogyan okozhat tömegváltozást.

következtetések

Newton mozgástörvényei azon a feltételezésen alapulnak, hogy az objektumok közötti ellentétes erők egyidejűleg működnek. Normális körülmények között ez teljesen ésszerű feltételezés. Amikor két tárgy ütközik egymással, azaz érintkezik, a köztük lévő távolság olyan kicsi, a fénysebesség pedig olyan gyors, hogy a válaszidő azonnalinak tekinthető.
de ez nem mindig így van. Az elektromos mezők véges sebessége azt jelenti, hogy nagy gyorsulás esetén a töltött részecskék mozgása nem követi a várt newtoni utat.
amikor az elektronok alacsonyabb pályára lépnek, gyorsabban mozognak és gyorsulnak. Ez arra készteti őket, hogy magasabb fokú taszítást adjanak a második atom mezőjével szemben. Ez viszont azt eredményezheti, hogy az első atom elvesztette a tömegét, miközben valójában a tömege nem változott.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.