Wann wird „Energie“ zu Materie?

Es ist ärgerlich, von Masse-Energie-Umwandlung zu sprechen, weil es zu oft falsch interpretiert wird, dass Energie nicht auf einer Waage wiegt, bevor sie „in Materie umgewandelt wird“. Ich werde der Antwort also voranstellen, indem ich sage, dass, wenn Sie ein Gas erhitzen, die Wärme auf einer Waage wiegt, wenn Sie etwas Papier verbrennen und die Wärme entweichen lassen, die entweichende Wärme die Verbrennungsprodukte weniger wiegen lässt, als wenn sie heiß bleiben würden, und Wenn Sie eine Atombombe versiegeln, sie explodieren lassen und alle Produkte und Wärme in der Kiste behalten, hat die Kiste vor und nach der Explosion die gleiche Gesamtmasse.

Die Umwandlung von Energie, kinetisch oder elektromagnetisch, in Teilchen mit Ruhemasse wird experimentell nur beobachtet, wenn die Energie in Klumpen kommt, die groß genug sind, um ein massives Teilchen zu erzeugen, wenn die Energie niedrig ist, wird dies das leichteste geladene Teilchen sein, das Elektron . Elektronen können nur zusammen mit einem positiv geladenen Teilchen erzeugt werden, um Ladung zu erhalten, und dies ist fast immer ein Positron (in seltenen schwachen Wechselwirkungen können Sie ein Elektron, ein Proton, ein Antineutron und ein Elektron-Antineutrino erzeugen). Die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren geschieht nur bei sehr harten Röntgenstrahlen oder Teilchen, die sich mit einer vergleichbaren kinetischen Energie bewegen, und selbst bei einer Atomexplosion hat man nicht so viel Energie in einem einzelnen Teilchen. Sie müssen Partikel speziell beschleunigen.

Aufgrund dieser Lücke zwischen der Energie von Teilchen und der Energie des leichtesten geladenen Teilchens sieht man im täglichen Leben normalerweise keine Umwandlung von Energie in Masse.

Alle Teilchenbeschleuniger der Welt wandeln kontinuierlich (wenn sie in Betrieb sind) kinetische Energie in Materie um. Wenn beispielsweise zwei Protonen am LHC kollidieren, wird die kinetische Energie der Protonen in Dutzende bis Hunderte von Teilchen (Materie) umgewandelt, die die Experimentatoren dann mit ihren Detektoren zu charakterisieren versuchen. Die meisten dieser Teilchen sind sehr kurzlebig und zerfallen entweder in mehrere weniger massive Teilchen oder sie können mit dem Detektormaterial interagieren und noch mehr Teilchen erzeugen. Als Ergebnis der Kollision wird es jedoch immer eine beträchtliche Anzahl von Elektronen, Protonen, Positronen und Antiprotonen (die alle stabil sind) geben. Die Positronen und Antiprotonen werden schließlich mit Elektronen und Protonen vernichten, aber im Prinzip würden sie alle ewig halten, wenn sie von gewöhnlicher Materie getrennt gehalten werden könnten.

Hochenergetische kosmische Strahlen, die aus dem Weltraum auf die Erde treffen, tun dasselbe – die kinetische Energie der kosmischen Strahlung wird in zusätzliche Elektronen, Protonen und ihre Antiteilchen umgewandelt.

In viel kleinerem Maßstab wandelt jede chemische Reaktion, die Energie benötigt, die von der Reaktion benötigte Energie in eine sehr geringe zusätzliche Masse um. Zum Beispiel Photosynthese, die dauert

Ein Photon wird emittiert, wenn ein Elektron in einem Atom von einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren Energiezustand springt.

http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_spectral_line

In einem Prozess namens Paarbildung kann sich ein Photon in ein Elektron und ein Positron verwandeln.

http://en.wikipedia.org/wiki/Pair_production

Diese Prozesse sind seit etwa 50-100 Jahren bekannt und in einem Physiklabor perfekt reproduzierbar und messbar.

Kommt darauf an, was man als Energie bezeichnet. Ich nehme an, Sie sprechen von Strahlung. Das Standardmodell besteht aus Fermionen und Bosonen und alle Energie ist auf sie verteilt (ohne Berücksichtigung der dunklen Energie im Universum oder der dunklen Materie), da es bereits die spezielle Relativitätstheorie (einschließlich der Relation$E=mc^2$). Innerhalb eines solchen Rahmens gibt es also technisch gesehen zulässige Prozesse, die Fermionen aus Photonen erzeugen, siehe Breit-Wheeler-Prozess .

Wenn es kein Sonnenlicht gäbe, das die Photosynthese aufrechterhält und der Rest der Biosphäre in einen Materiezustand übergeht, der von einem Energiefluss getragen wird, würde Biomasse nicht existieren. Während die Erde Sonnenenergie in der Troposphäre absorbiert, fließt sie kontinuierlich durch Materie in Richtung des endgültigen Bestimmungsortes im Vakuum des Weltraums. Biomasse wird kontinuierlich von allen Lebensformen auf der Oberfläche aus Sonnenenergie erzeugt, und all diese Biomasse würde nicht existieren, ohne dass Sonnenenergie in Echtzeit durch einen Energiezufluss mit Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit einem Abfluss mit der gleichen Geschwindigkeit in Masse umgewandelt würde. Eine Lebensform ist also Masse, die durch kontinuierliche Umwandlung von Energie in Masse und eine gleiche Umwandlung in Energie erhalten wird. Die Masse selbst muss genauso viel gespeicherte Energie enthalten wie sie durchfließt, um ihre Form zu behalten.

Dasselbe gilt für alle Materie auf der Erde, die eine Temperatur hat, Sonnenenergie fließt durch alle Materie mit konstanter Geschwindigkeit und Dichte, solange sich die Einstrahlung nicht ändert. Vielleicht hat jemand die Motivation zu berechnen, welche Masse die Erde hätte, wenn wir die Sonne ausschalten würden. Das Abziehen von Energie im Wert von 1,4 kW/m^2, die in die Hälfte der Erdoberfläche fließt, von der Energie, die in Masse vorhanden ist, wenn sie von der Sonne erwärmt wird, muss die Masse stark reduzieren.

Energie wird mit Lichtgeschwindigkeit in Masse umgewandelt, wo immer ein durch Strahlung erhitztes Teilchen vorhanden ist, ähnlich einer stehenden Welle, die zu einer Form geformt ist, die die gleiche Energiemenge enthält wie das, was hereinkommt, sonst könnte sie auf ihrem Weg keine Energie sparen aus.

Es hilft, wenn man akzeptiert, dass es keinen Unterschied zwischen Energie und Materie gibt außer ihrer geometrischen Verteilung im Raum, Energie ist eindimensional und Materie existiert in kontinuierlicher Ausdehnung in Dimensionen, die sich auf den umgebenden Raum und die Materie beziehen.

Es hilft auch zu akzeptieren, dass Energie als Materie die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat haben muss, um in der Raumzeit zu existieren. Ohne die Energiezunahme, die von Masse kommt, die sich mit einer viel höheren Geschwindigkeit als Licht bewegt, besteht keine Notwendigkeit für eine Expansion von Null-Dimensionen der statischen Energie E in die Raumzeit als die geometrische Form, die wir Masse nennen. Energie, die mit der Raumzeit interagiert, dehnt sich in die Raumzeit aus, wenn die Energie übersteigt, was in der Größe eines Lichtquants enthalten sein kann. Die Ausdehnung in alle Richtungen führt dazu, dass die Geschwindigkeit im Verhältnis zur Geschwindigkeit in einer Dimension auf c ^ 2 ansteigt, die Masse erstreckt sich in drei Dimensionen im Vergleich zum Photon, das eher wie ein Energiepunkt wirkt.

Aufgrund seiner Geometrie ist Masse Energie, die mit der quadrierten Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen relativ zu der einzigen Richtung der Photonen in einer Dimension fließt.

Um Materie in Energie umzuwandeln, ist ein Kernreaktor ein gutes Beispiel dafür, wie Kollisionen genutzt werden können, um die Geschwindigkeit von Materie zu verlangsamen und Energie auf die gleiche Weise wie ein Autounfall gegen eine massive Wand zu extrahieren. Die Gegenkraft muss die Beschleunigung auf ein Niveau ändern, bei dem die Geometrie zusammenbricht und ihren Inhalt oder einen Teil davon freigibt.

Der Widerstand von Energie, die sich in der Raumzeit ausdehnt, ist eine entgegengesetzte Kraft, die das Potential ausgleicht, um Quellen von potentieller Energiespeicherung zu Null zu machen. Die Expansion geht weiter, aber die Deflation ist gleich. Nur eine zunehmende Intensität der Quelle kann sich weiter ausdehnen, mit geringerer Ausdehnung pro Energieeinheit bei Volumenzunahme.

Materie lässt sich einfach als ein Energiebehälter erklären, eine Form, die durch lokale Ausdehnung in der Raumzeit entsteht, die durch die gleiche Energie innerhalb der Form aufrechterhalten wird, wie die Menge, die in den Raum ein- und ausfließt.

E=mc^2 ist sehr klar, dass Materie eine Form von Energie ist, die in einen höheren Zustand beschleunigt wird. Wenn es wörtlich genommen wird, erklärt es, wie die Energie in Materie, die offensichtlich sehr groß ist, unter normalen Umständen nicht für die Extraktion verfügbar ist. Wenn wir uns mit der gleichen Geschwindigkeit wie Masse mit Energie fortbewegen und selbst Masse mit Energie Seite an Seite sind, gibt es keine Möglichkeit, die Energie in der Materie zu nutzen, weil die Energie zwischen allen gemeinsam reisenden Materien geteilt wird.

Die Verlangsamung, um Energie aus Materie zu gewinnen, ist als Beschreibung der Umwandlung in Energie intuitiver. Wir sind mit dem Konzept der kinetischen Energie vertraut, die aus der potentiellen Energiedifferenz bei relativer Bewegung gewonnen wird.