Bin ich nur etwas Energie, die mit Lichtgeschwindigkeit gereist ist? [geschlossen]

Die berühmte Gleichung$E = mc^2$ist eigentlich nur ein Sonderfall der relativistischen Gleichung für die Gesamtenergie:

$$E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 \tag{1}$$

Wo$p$ist der relativistische Impuls und$m$ist die (konstante) Ruhemasse:

$$p = \frac{mv}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$$

Für ein Objekt, das sich nicht bewegt$p=0$und Gleichung (1) wird zu:

$$E = mc^2$$

damit hast du angefangen. Aber für ein sich bewegendes Objekt müssen wir die einbeziehen$p^2c^2$Begriff und dies erklärt die zusätzliche Energie, die mit der Bewegung verbunden ist. Es gibt also keinen seltsamen Effekt, wenn die zusätzliche Energie eines sich bewegenden Objekts zu Masse wird.

Übrigens gilt diese Gleichung auch für Licht. Für Licht die Masse$m$Null ist und Gleichung (1) wird:

$$E = pc$$

Dies könnte besser erkennbar sein, wenn wir die Ersetzung vornehmen$p=h/\lambda$zu bekommen:

$$E = \frac{hc}{\lambda} = h\nu$$

Bedeutet diese Gleichung, dass Massen nur verdichtete Energie sind?

Nein , es bedeutet, dass Masse nur eine andere Form von Energie ist, genau wie Wärme, Bewegung, elektrische Anziehung usw.

Beispielsweise ist die Energie einer geladenen Kugel

$$E=\frac{3}{5}\frac{Q^2}{R}$$

Diese Gleichung bedeutet nicht, dass Ladung nur verdichtete Energie ist; es bedeutet, dass geladene Objekte Energie haben .

Ähnlich verhält es sich mit der Energie eines ruhenden Objekts

$$E=mc^2$$ und das bedeutet nicht, dass Masse verdichtete Energie ist; es bedeutet, dass massive Objekte Energie haben .

Und bedeutet das, dass die zusätzliche Energie, die ein Objekt hat, wenn es sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, einfach zu Masse wird? Sind dann alle Massen nur Energie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt?

Das macht nicht viel Sinn: Das einzige Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, ist, nun ja, Licht. Nichts anderes kann so schnell reisen.

Andynitrox schlug vor, dass OP wahrscheinlich über die "relativistische Masse" spricht, dh die Tatsache, dass die Masse eines Objekts zunimmt, wenn es sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Beachten Sie, dass dies ein historischer Fehler ist: Die Masse eines Objekts ist unabhängig von seinem Bewegungszustand. Die Masse nimmt nicht mit der Geschwindigkeit zu .

Wenn ja, ist Licht für uns nicht relativ stationär?

Warum sollte es? tut es nicht: es reist sehr schnell. Und wir können seine Geschwindigkeit messen, und es stellt sich heraus, dass sie es ist$3\ 10^8\ \mathrm{m/s}$. Das ist überhaupt nicht stationär , es ist sehr, sehr schnell!

Also, was bedeutet$E=mc^2$bedeuten?

Nun, da ich Ihre Fragen angesprochen habe, lassen Sie mich versuchen, die wichtige Frage zu beantworten: Was ist die Bedeutung von$E=mc^2$.

Es stellt sich heraus, dass wir Menschen einige Fehler gemacht haben, als wir entschieden haben, wie man Dinge in der Physik misst. Wir mussten Entfernungen messen und haben uns entschieden, die Länge eines Objekts mit einem Prototypstab zu vergleichen, dem wir willkürlich die Länge "1 Meter" zugewiesen haben. Nehmen wir an, ich möchte auf meinem Grundstück eine Scheune bauen lassen. Ich sage dem Ingenieur: "Ich möchte, dass es 3 Meter hoch ist". Das bedeutet, dass meine Scheune dreimal so hoch sein sollte wie der Platin-Iridium-Barren, den wir vor einiger Zeit geschmiedet haben.

Aber nehmen wir nun an, dass die Physiker damals einen anderen Prototypstab gewählt haben, der halb so groß ist wie der vorherige, und diese Länge "1 AFT" nennen, dh 1 Meter = 2 AFT. In diesem Fall sage ich dem Ingenieur, dass meine Scheune "6 AFTs groß" sein sollte. Wie Sie sehen können, hängt der tatsächliche Wert der Höhe von willkürlichen Konventionen ab.

Nun, die Wahrheit ist, dass Wissenschaftler einige willkürliche Konventionen gewählt haben, und sie haben es falsch gemacht. Es stellt sich heraus, dass die Dinge (in der Physik, nicht im Alltag) viel einfacher sind, wenn wir eine andere Konvention für die Länge wählen, die nicht willkürlich ist, sondern einen Grund hat: Wir wählen die Längeneinheit so$c=1$anstatt$c=3\ 10^8\ \mathrm{m/s}$. Das mag ungewöhnlich aussehen, weil$c=1$hat keine Einheiten mehr, aber ertragen Sie mich, es ist praktisch. Nun, wie hoch sollte meine Scheune sein?

Beachten Sie, dass

$$1=c=3\ 10^8\ \mathrm{m/s}\quad\Leftrightarrow \quad 1\ \mathrm{m}=\frac{1}{3\ 10^8}\mathrm{s}=3.33\ 10^{-9}\ \mathrm{s}$$ und deshalb ist meine Scheune $3\ \mathrm{m}=10^{-8}\ \mathrm{s}$groß. Wir messen eine Länge mit Einheiten von Sekunden! Ich sollte dem Ingenieur sagen: "Ich möchte eine zehn Nanosekunden hohe Scheune". Aber warum sollten wir das tun wollen!?

Gut, wenn$c=1$dann sind viele Gleichungen viel einfacher, wie zum Beispiel

$$E=m$$

Jetzt können Sie sehen, was$E=mc^2$bedeutet eigentlich: Masse und Energie sind dasselbe. Der Faktor von$c^2$ist nur da, weil wir einen schlechten Prototypstab gewählt haben. Wären wir klüger gewesen, wäre es nicht da gewesen. Aber warte! Ich habe im ersten Absatz dieses Beitrags gesagt, dass Masse und Energie nicht dasselbe sind, also was ist los? Sind sie es oder sind sie es nicht?

Nun: nein, sind sie nicht. Sie sind nicht weil$E=mc^2$ist nicht das Ende der Geschichte. Die wahre Gleichung sieht eher so aus:

$$E=\frac{m}{\sqrt{1-v^2}}+\text{electric energy}+\text{magnetic energy}+\text{gravitational energy}+\cdots$$ wobei wir alle Energieformen einbeziehen müssen . Beachten Sie insbesondere, dass der erste Term von abhängt $\boldsymbol v$, also die Geschwindigkeit des Teilchens. Was bekommen wir nun, wenn das Teilchen ruht und weit entfernt von allem anderen, also isoliert ist? Nun, in diesem Fall bekommen wir $E=m$zurück. Ist Masse also gleich Energie? nein, die Energie eines Teilchens umfasst alle Energieformen. Masse ist die Energie eines Teilchens, das in Ruhe und weit entfernt von jedem anderen Teilchen ist . Das ist die wahre Definition von Masse, die Sie sich merken sollten. Mit dieser Definition ist leicht zu erkennen, dass die Masse nicht von der Geschwindigkeit abhängt: Sie ist definiert als die Energie eines Objekts in Ruhe, also wie könnte sie überhaupt von der Geschwindigkeit abhängen?

Ich werde versuchen, diese Frage mit meinem grundlegenden Verständnis der speziellen Relativitätstheorie zu beantworten:

1. Ist Materie verdichtete Energie? Das ist es irgendwie, aber besser ausgedrückt wäre es, dass alles, was Energie hat (sich so verhält), Masse hat. Stellen Sie sich vor, Sie haben eine hohle Kiste, deren Innenseiten mit perfekten Spiegeln bedeckt sind, und Sie stellen sie auf eine Waage. Wenn Sie ein Licht in die Kiste leuchten würden, würde es Photonen enthalten, die Energie haben, und die Skala würde anzeigen, dass die Kiste schwerer ist. Obwohl der Effekt sehr, sehr gering wäre. Auch Licht wird gebeugt, wenn es in der Nähe von schweren Objekten vorbeigeht.
   
   Es ist jedoch wichtig, dass Sie zwischen Ruhemasse und relativistischer Masse unterscheiden . Wie in der vorherigen Antwort erwähnt,$E=mc^2$ist nur ein Spezialfall des Allgemeineren $$E^2=(m_0c^2)^2+(pc)^2$$ mit$m_0$"Ruhemasse" sein. Ruhemasse ist die Masse, die ein Objekt hat, wenn es ruht, was normalerweise die gleiche Masse ist, die Sie auf Ihrer Waage ablesen. Licht hat keine Ruhemasse und seine gesamte Energie stammt aus Impuls ($p$). Relativistische Masse ist die Masse, die ein Teilchen aufgrund seiner Gesamtenergie zu haben scheint: $$m_{rel}=\frac{E_{total}}{c^2}$$ was erklärt, warum Licht in der Nähe von massiven Objekten gebeugt wird. Man würde trotzdem sagen, dass Photonen keine Masse haben.
   
   
2. Objekte mit Masse (sprich: Ruhemasse) können die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen. Aus der relativistischen Masse folgt, dass, wenn etwas beschleunigt, sein Impuls zunimmt und damit auch seine Energie und relativistische Masse. Das heißt, es wird immer schwieriger, es weiter zu beschleunigen
   ($a=\frac{F}{m_{rel}}$hält noch). Also nein tut es nicht. Objekte, die sich mit einer anderen Geschwindigkeit bewegen, haben jedoch eine erhöhte relativistische Masse, aber denken Sie daran, dass die Auswirkungen fast immer so winzig sind, dass Sie sie in den meisten Fällen nicht bemerken werden.

Es tut mir leid, dies zu sagen, aber die Fragen 3 und 4 ergeben für mich keinen Sinn, aber ich hoffe, dass meine Antwort Ihnen einige Dinge klar gemacht hat.

Angesichts des Kontexts der Frage scheint die Tatsache, dass es darum geht$E=mc^2$Insbesondere und dass das OP sagt, dass es ihm schwer fällt, es zu verstehen, werde ich versuchen, eine einfache Antwort in einfachem Englisch ohne eine Menge komplizierterer Formeln zu geben.

Ich bin kein Physiker, und obwohl das Konzept vielleicht nicht so einfach ist, ist die Formel ziemlich einfach, vielleicht sogar noch einfacher, wenn sie (locker) von Einstein zitiert wird.

Energie ($E$) ist gleich Masse ($m$) multipliziert mit einer sehr großen Konstante wie der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat ($c^2$).

In Bezug auf den Titel: Nein, und nur weil sich etwas mit, sagen wir, doppelter Lichtgeschwindigkeit von Ihnen wegbewegt, heißt das nicht, dass es sich mit doppelter Lichtgeschwindigkeit bewegt. Der Raum kann sich bewegen, ohne dass sich die Dinge darin bewegen.

Zu den einzelnen Punkten:

1. Bedeutet diese Gleichung, dass Massen nur verdichtete Energie sind?

Nein, es bedeutet einfach, dass Energie und Masse austauschbar sind und Masse sich in viel Energie umwandelt .

2. Und bedeutet das, dass die zusätzliche Energie, die ein Objekt hat, wenn es sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, einfach zu Masse wird?

Nein, die Gleichung selbst sagt nichts über Bewegung oder Geschwindigkeit oder gar Lichtgeschwindigkeit aus. Die Dinge erreichen nicht nur Lichtgeschwindigkeit, Sie müssen einer Masse Energie zuführen, um sie zu beschleunigen.

Mathematisch gesehen gibt es basierend auf dieser Formel keinen Grund, warum Sie nicht mit oder schneller als Lichtgeschwindigkeit reisen können.

Schauen Sie sich die Formel für die Beschleunigung von Massen an und bedenken Sie, dass die kinetische Energie irgendwo herkommen muss, um Lichtgeschwindigkeit zu erreichen (z. B. etwas in die Luft jagen - überprüfen Sie das Umwandlungsverhältnis von Masse zu kinetischer Energie ... es ist nicht gut!), Und wenn Sie Wenn Sie die Summen machen, werden Sie die Menge an Energie (oder Masse, um sie zu sprengen und in Energie umzuwandeln) finden, die Sie einer Masse geben müssen, um sie auf diese Geschwindigkeit zu bringen, ist nicht machbar.

3. Sind dann alle Massen nur Energie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt?

Nö.

4. Wenn ja, ist Licht für uns nicht relativ stationär?

Nein, denn Sie reisen nicht mit Lichtgeschwindigkeit.