Was hindert Masse daran, sich in Energie zu verwandeln?

Dies wird zwangsläufig eine unbefriedigende Antwort sein, da Ihre Frage weitaus komplizierter ist, als Sie (wahrscheinlich) erkennen. Ich werde versuchen, eine allgemeine Antwort zu geben, aber Sie müssen verstehen, dass dies ein blasser Schatten der Physik ist, die diesen Bereich beschreibt.

Jedenfalls war Einstein der Erste, der erkannte, dass Energie und Masse äquivalent sind, und Sie haben zweifellos von seiner berühmten Gleichung gehört$E = mc^2$. Heutzutage schreiben wir das so:

wo$p$ist der Schwung und$m$ist die Ruhemasse. Die Relativitätstheorie erklärt jedoch nicht, wie Materie und Energie ausgetauscht werden können. Das musste mehrere Jahrzehnte auf die Entwicklung der Quantenfeldtheorie (kurz QFT) warten.

Wenn Sie QFT noch nie begegnet sind, wird es Ihnen als eine sehr seltsame Art erscheinen, die Welt zu betrachten. Wir sind daran gewöhnt, Teilchen wie Elektronen als Objekte zu betrachten, ähnlich wie makroskopische Objekte, nur kleiner und unschärfer. Bei der QFT gibt es jedoch ein Elektronenfeld, das das gesamte Universum durchdringt, und was wir uns als Elektron vorstellen, ist eine Anregung in diesem Feld. Ebenso gibt es ein Photonenfeld, und Photonen sind Anregungen im Photonenfeld. Tatsächlich sind alle Elementarteilchen Anregungen in ihrem entsprechenden Quantenfeld.

QFT erklärt die Materie-Energie-Umwandlung, weil man beispielsweise dem Elektronenfeld Energie hinzufügen kann, um es anzuregen und dadurch ein Elektron zu erzeugen. Alternativ kann eine Anregung im Elektronenfeld, also ein Elektron, verschwinden, indem Energie auf etwas anderes übertragen wird. So treffen beispielsweise im Large Hadron Collider zwei Quarks mit enormer kinetischer Energie aufeinander und können einen Teil dieser Energie in Anregungen verschiedener Quantenfelder umwandeln, um einen Teilchenschauer zu erzeugen.

Aber das kann nicht so geschehen, wie es dir gefällt. QFT gibt uns die Gleichungen, um zu beschreiben, wie die kinetische Energie von Teilchen Quantenfelder anregen und dadurch Materie erzeugen kann. Aus diesem Grund, um auf Ihre Frage zurückzukommen, kann sich Masse nicht einfach in Energie verwandeln. Quantenfeldanregungen treten nur auf bestimmte Weise auf, die von der Quantenfeldtheorie beschrieben werden.

Und das ist meiner Meinung nach alles, was man auf dieser Ebene sagen kann.

Erstens ist Masse Energie. Es gibt überhaupt keine Unterscheidung. Nicht die gesamte „Masse“ eines Atoms stammt beispielsweise von Protonen/Neutronen/Elektronen, es gibt einen Teil, der aus potentieller Energie stammt – dieser Teil dominiert tatsächlich die Masse der Bestandteile.

Wir können Ihre Frage jedoch umformulieren in "Was hindert Nukleonen daran, sich in andere Energieformen umzuwandeln?"

Die Frage ist vielmehr umgekehrt: Warum sollte sich die Masse ändern wollen ? Die meisten Veränderungen in der Physik erfordern einen Impuls; ein Potentialunterschied oder ähnliches. A priori gibt es hier nichts davon.

Außerdem gibt es für diese Übergänge von Masse zu Energie meist hochenergetische Übergangszustände, wie bei chemischen Reaktionen:

Um das Endprodukt zu erreichen, muss man genügend Energie zuführen, um den Übergangszustand zu erreichen und zu überwinden. Ein Beispiel dafür ist die Kernfusion: Um den Endzustand zu erreichen, muss man die Kerne erst nahe genug heranbringen, was mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden ist.

Nukleonen selbst haben sehr lange Halbwertszeiten, so dass sie zwar in andere Teilchen und Energie zerfallen können, dies jedoch nicht sichtbar ist. Die meisten anderen Teilchen haben jedoch kurze Halbwertszeiten und nichts hindert sie daran, schnell in "Energie" zu zerfallen.

Ich verstehe, dass sich Energie und Masse laut Einstein hin und her ändern können. Es ist flüssig; es kann von einem zum anderen gehen. Was also hält Masse davon ab, sich einfach in Energie umzuwandeln? Gibt es eine Kraft, die ein subatomares Teilchen zusammenhält? Was hält Masse in ihrem Zustand?

OK, hier ist die Version des Experimentators:

Der berühmte General$E=mc^2$Die Verbindung von Energie zu Masse zeigt bei weiterer Analyse , dass für Elementarteilchen eine existiert$m$das konstant ist, Ruhemasse genannt: die Masse, wenn sich das Teilchen nicht bewegt.

Wir haben diese Äquivalenz von Massenenergie unzählige Male beobachtet und gemessen. Wir haben die Elementarteilchen nach ihrer Ruhemasse in einem sehr eleganten Modell organisiert, das die Daten beschreibt, dem so genannten Standardmodell. . Alle Massen, die wir von Kernen bis zu Sternen beobachten, sind aus diesen Elementarteilchen in hierarchischer Reihenfolge zusammengesetzt, was immer größere Massen ergibt, je größer das Ensemble ist, die auf den obigen Energiegleichungen basieren.

Die Nukleonen, bestehend aus Quarks und Gluonen, die Kerne, bestehend aus Nukleonen (Protonen und Neutronen), die Atome, bestehend aus Nukleonen und Elektronen, alle sind stabil (Nukleonen können instabile Isotope haben) und bilden die Grundlage der makroskopischen Stabilität von Massen wir beobachten in der makroskopischen Welt, die von der klassischen Physik beschrieben wird.

Was hindert das Atom daran, in eine neutrale Kugel aus Masse/Energie zu kollabieren, was ergibt die komplizierten spektroskopischen Muster von Atomspektren? Zur Erklärung dieser Daten entstand die Theorie der Quantisierung und entwickelte sich im Gegensatz zur klassischen Mechanik zur Quantenmechanik. Ein grundlegendes Ergebnis der theoretischen Modellierung ist, dass nur quantisierte Energiezustände existieren können und die Elektronen nicht auf den Kern fallen können, da dies kein erlaubter Energiezustand ist.

Die Quantisierung erklärt das Periodensystem der Elemente: Protonen und Neutronen kollabieren nicht zu einem Energieball, da die Quantisierung stabile Energieniveaus ermöglicht.

Außerdem sind die Elementarteilchen eindeutig durch Quantenzahlen gekennzeichnet. Bei vielen davon wurde experimentell beobachtet, dass sie in Wechselwirkungen konserviert sind. Somit existieren aus Erhaltungssätzen und Quantenzahlerhaltungssätzen extra verbotene Regeln für die Transformation zwischen Energie und Masse.

Die Stabilität des Wechselspiels zwischen Masse und Energie, die wir in der makroskopischen Welt beobachten, ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen Erhaltungssätzen und Energie-Impuls-Erhaltung in den quantisierten mikroskopischen Systemen.

Keine Gewalt, nur Erhaltungsregeln und erlaubte Zustände. Die Quarks im Proton können wegen der Quantenzahlerhaltung nicht ineinander verschwinden/kollabieren, sie tragen die Baryonenzahl 1/3 oder 2/3 und können diese innerhalb des Protons niemals verlieren, die Gesamtbaryonenzahl muss 1 bleiben.

Es ist nicht so, dass Masse und Energie "hin und her wechseln können". Sie sind buchstäblich gleichwertige Arten, über dasselbe zu sprechen (vorausgesetzt, das Teilchen bewegt sich nicht). Wenn etwas Masse hat, dann auch als Energie und umgekehrt. Tatsächlich wird die Masse von Teilchen oft in Energieeinheiten angegeben.

Ihre Frage ist so etwas wie die Frage: "Wenn etwas Geschwindigkeit hat, was hindert es daran, sich in Geschwindigkeit zu verwandeln?"

So wie ich es verstehe, kommt die gesamte Masse von der Kraft, die die Quarks miteinander verbindet, da der leere Raum nicht wirklich leer ist und im Falle eines Protons das Teilchen aus drei Quarks besteht, zwei oben und einem unten, die tatsächlich Energie verbrauchen, um sie zu erzeugen ein leerer Raum zwischen ihnen, der nach "Gleichgewicht" sucht, und da die Energie, die diese Teilchen hält, nicht einfach ins Nichts geht, wo sie sich in das übersetzt, was wir Masse nennen, und die Materie auf diese Weise zu betrachten, erklärt, wie Masse und Energie nur eine Sache sind, die betrachtet wird aus zwei Perspektiven betrachtet, dazu kommt noch das Gewicht (wirklich klein) der Quarks, das durch die "Wechselwirkung" des Higgs-Feldes mit ihnen entsteht und so betrachtet werden kann, als ob die Quarks metallische Kugeln wären und das Feld aus Honig besteht was die Bälle nicht zum Stillstand bringt, aber sie laufen auch nicht auf Hochtouren .... hoffe, ich habe geholfen :)

Die einfache Antwort ist ein Wort ... Entropie! Es gibt zwei Arten von Entropie, die wir berücksichtigen müssen, 1) universell und 2) lokal.

Universell - gleich nach dem Urknall gab es einen "Überfluss" an Energie, daher waren Materie und Energie "leicht" austauschbar. Aus Energie wurde Materie und aus Materie wurde Energie. Als sich das Volumen des Universums ausdehnte, entwickelten sich lokale Bereiche, in denen die verfügbare Energiemenge nicht ausreichte, um Materie wieder in Energie umzuwandeln, sodass Materie begann zu existieren und das Universum zu bevölkern, bis der größte Teil der Energie des Universums aufgebraucht war.

Lokal - aufgrund der Schwerkraft gibt es mit der Zeit genügend lokale Materie, die miteinander verschmilzt und genug Energie erzeugt, um wieder Materie in Energie (Sterne) umzuwandeln, aber weil sich das Volumen des Universums weiter ausdehnt, wird es eine Zeit geben, in der Materie nicht genügend zusammenfassen können, um diese Prosa wiederholen zu können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es Energie braucht, um Energie in Materie umzuwandeln, und es braucht Energie, um Materie in Energie umzuwandeln. Wird die benötigte Energie nicht bereitgestellt, wird sich Materie nicht "spontan" in Energie umwandeln.