Wie wird aus Ruhemasse Energie?

Wenn ich richtig lese, lautet Ihre Hauptfrage meiner Meinung nach:

Warum wird nur ein kleiner Prozentsatz der Ruhemasse in Energie umgewandelt [selbst bei der Fusion]?

Das liegt daran, dass das Universum sehr streng in Bezug auf einen bestimmten kleinen Satz von Erhaltungsregeln ist, und bestimmte Kombinationen dieser Regeln machen gewöhnliche Materie extrem stabil. Warum diese Regeln in manchen Fällen so streng eingehalten werden und in anderen weniger, ist nur etwas, das experimentell beobachtet wird. Aber es ist gut, dass es diese Erhaltungsregeln gibt, sonst würden wir wohl nicht hier darüber reden. Das Universum wäre stattdessen bestenfalls nichts weiter als ein riesiger, strukturloser Ball aus freier Energie.

Diese Erhaltungssätze äußern sich meistens als Eigenschaftspaare, die sich gegenseitig aufheben. Jede dieser gepaarten Eigenschaften ist jedoch isoliert extrem stabil und kann nicht einfach "rückgängig gemacht" oder aus unserem Universum entfernt werden. Beispiele sind: elektrische Ladung, für die Sie gleiche Mengen an positiver und negativer Ladung zusammen erzeugen können , aber niemals isoliert; linearer Impuls, für den Newton eine Erhaltungspaarung identifizierte, indem er feststellte, dass „für jede Reaktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion vorhanden ist; und Drehimpuls, bei dem ein Beispiel für eine Paarung auftritt, wenn Sie versuchen, sich zu schnell herumzudrehen, während Sie auf einem drehbaren Sitz sitzen, Dies kann dazu führen, dass sich der Sitz in die entgegengesetzte Richtung dreht, als Sie es beabsichtigt haben.

Die Teilchen, aus denen gewöhnliche Materie besteht, unterliegen einigen zusätzlichen subtileren Erhaltungsregeln, die die mathematische Struktur der Teilchen beschreiben. Diese Regeln werden vom Standardmodell der Teilchenphysik abgedeckt, aber leider nicht leicht verständlich ausgedrückt .

Nichtsdestotrotz werde ich versuchen, eine etwas riskante geometrische Analogie zu verwenden, um den Nettoeinfluss der konservierten mathematischen Strukturen des Standardmodells zu erklären. Nehmen Sie einen kurzen Stab und wickeln Sie einige Drahtschlaufen in einer Spirale darum, wobei Sie die Enden fixieren, damit sie nicht verrutschen können. Die resultierende Struktur ist entweder linkshändig oder rechtshändig, je nachdem, wie Sie den Draht gewickelt haben. Beachten Sie auch, dass die Wickelrichtung (entweder links oder rechts) des Drahtes, abgesehen vom Abwickeln, zu einem dauerhaften Merkmal dessen geworden ist, was Sie erstellt haben, in dem Sinne, dass Sie ihn nur durch ausdrückliches Abwickeln entfernen können.

Legen Sie nun zwei solcher Stäbe aneinander, einen mit einer linkshändigen Spule und den anderen mit einer rechtshändigen Spule, und löten Sie die Enden der Drähte zusammen, wo sie sich berühren. Sie haben jetzt eine ganz andere Situation, denn wenn Sie an den Enden dieser neuen kombinierten Spule kräftig gerade ziehen, heben sich die beiden Windungen auf und der Draht wird gerade . Ihre beiden "Strukturen" (linke und rechte Wicklung) haben sich praktisch gegenseitig aufgehoben.

Solch einfache Strukturen werden Sie im Standardmodell leider nicht finden. Aber auch dort gilt wohl eine ähnliche Idee, wenn auch auf abstraktere Weise.

Das heißt, ein Partikel gewöhnlicher Materie im Standardmodell „steckt“ auch in einer abstrakten Struktur, die nicht rückgängig gemacht werden kann, ohne zuerst Zugang zu einer „Spiegelbild“-Struktur in einem ansonsten ähnlichen Partikel zu erhalten. Wie die Drahtwicklung um einen Stab bleibt diese abstrakte Struktureigenschaft jedes dieser Teilchen erhalten, solange die Teilchen voneinander isoliert bleiben. Aber wenn solche strukturaufhebenden Teilchen aufeinandertreffen, kann die Ruhemasse beider freigesetzt werden und die Gleichung$E=mc^2$voll anwendbar wird.

Die Teilchen mit sich mathematisch aufhebenden Strukturen werden passenderweise Antiteilchen genannt und bilden in großen Mengen Antimaterie . Somit könnte man auch sagen, dass die Ruhemasse genauso "vorhanden" ist$E=mc^2$Verwendung wie jede andere Form potentieller Energie, aber dass der seltsame Mangel an großen Mengen an Antimaterie im sichtbaren Universum unter den meisten Umständen dazu führt, dass die Ruhemasse der gewöhnlichen Materie geschützt wird.

Wie wird die Ruhemasse eines Körpers zu Energie? Dieser Artikel erklärt die Antwort. Ich habe es nicht zusammengefasst, weil ich im Grunde riesige Teile des Artikels zitieren müsste. Ja, es beinhaltet Teilchenphysik, legt nahe, dass die Ruhemasse als eine Art potenzielle Energie angesehen werden kann und wie eine Art eingeschlossene Energie erscheint.

Warum wird nur ein kleiner Prozentsatz der Ruhemasse in Energie umgewandelt? Warum nicht alles. Was bestimmt, wie viel Ruhemasse in Energie umgewandelt wird? Ich denke, du beziehst dich auf Bindungsenergie. „Diese Kernbindungsenergie (Bindungsenergie von Nukleonen zu einem Nuklid) leitet sich von der Kernkraft (starke Restwechselwirkung) ab und ist die Energie, die benötigt wird, um einen Kern in die gleiche Anzahl freier, ungebundener Neutronen und Protonen zu zerlegen, aus denen er besteht, damit die Nukleonen sind weit genug voneinander entfernt, so dass die Kernkraft die Teilchen nicht mehr zur Wechselwirkung bringen kann“ zitiert aus Wikipedia .

Wie wird die Ruhemasse eines Körpers zu Energie?

Ruhemasse kann nicht in Energie umgewandelt werden. Was ist Ruhemasse? Grob gesagt ist Masse die Trägheit eines Objekts, Kraft dividiert durch Beschleunigung. Es stellt sich heraus, dass die Trägheit eines Objekts genau proportional zur Energie ist. Ist das nicht was$E = mc^2$sagt? Die Trägheit (Masse) eines Objekts ist zu jedem Zeitpunkt gleich seinem Potential plus kinetischer Energie dividiert durch$c^2$.

Bedeutet dies nicht, dass die Ruhemasse als eine Art potentielle Energie angesehen werden kann?

Ruhemasse ist Energie. Der größte Teil der Masse im Universum stammt von Quarks Wechselwirkungen mit dem Gluonenfeld (kinetische und potentielle Energie), ein Teil stammt von Elementarteilchen-Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld (noch Energie) usw. Diese Dinge verleihen Objekten Trägheit. Elektrische potentielle Energie verleiht Objekten jedoch auch Trägheit. Ebenso thermische Energie und normale kinetische Energie. Es gibt einfach nicht so viel davon auf der Welt, daher ist es schwierig, ihre Auswirkungen auf die Trägheit von etwas zu bemerken. (Die in einem Atom eingeschlossene Energie ist sehr stabil und gigantisch, daher scheint sie die einzige Ursache für Trägheit zu sein.)

Was ihr also Masseumwandlung in Energie nennt, ist eigentlich Energie aus dem Gluonenfeld, die sich in Wärme-, Licht- und Schallenergie umwandelt. Wie auch immer, es ist immer noch Masse, da alle Energie Masse ist. Oder besser ausgedrückt: Masse ist eine Eigenschaft von Energie. Zu fragen, wie Masse zu Energie wird, ist wie zu fragen, wie das Grün in einem Teebeutel zu Tee wird. In erster Linie war es Tee, und er ist immer noch grün.

Relativistische Masse wird "erworben", wenn sich ein Objekt mit einer Geschwindigkeit bewegt, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist. Ruhemasse ist die inhärente Masse, die etwas hat, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der es sich bewegt.

Die Ruhemasse beinhaltet zwar kinetische Energien, aber nur Relativbewegungen. Wenn sich beispielsweise zwei Kugeln mit derselben Geschwindigkeit bewegen, trägt ihre Bewegung nicht zur Ruhemasse bei. Wenn sie sich jedoch aufeinander zu bewegen, gibt es eine relative Bewegung, unabhängig davon, welchen Referenzrahmen Sie wählen, sodass die kinetische Energie zur Ruhemasse beiträgt. Technisch gesehen ist Trägheit auch eine relativistische Masse, die proportional zur Gesamtenergie ist. Allerdings ist es ärgerlich, dass es vom Bezugssystem abhängt, daher verwenden wir normalerweise die Ruhemasse.

Was die anderen Fragen betrifft, so liefern die anderen Antworten durchaus angemessene Erklärungen.

Bevor wir uns überlegen, wie die Ruhemasse eines Objekts in Energie umgewandelt wird, müssen wir uns überlegen, was relativistische Masse ist. Die relativistische Masse wird durch Gleichung (1) und Gleichung (2) ausgedrückt. Masse (M) besteht aus unzähligen relativistischen Massen, die kinetische Energie und kleine Ruhemassen haben, wie es durch Gleichung (2) ausgedrückt wird. vi ist die Geschwindigkeit der individuellen Masse (mi). Wenn sich die relativistische Masse (M) bewegt, wird dies durch Gleichung (1) ausgedrückt. Wenn es in Ruhe ist, wird M zu Mo. Wir müssen uns jedoch daran erinnern, dass die Ruhemasse (Mo) aus bewegten Massen besteht.

Abb. 1 zeigt, dass sich die Masse (M) mit der repräsentativen Geschwindigkeit V im Standard-Trägheitssystem a bewegt. P(=MV) ist auch ein repräsentatives Momentum. Wenn M von Frame-b aus beobachtet wird, ruht Mo in Frame-b. Gleichung (3) zeigt, dass Mo aus vielen kleinen relativistischen Massen besteht. vi' ist die Geschwindigkeit der individuellen Masse (mi') in Rahmen-b. In der realen Welt besteht Masse (Mo) aus sich bewegenden Molekülen und ihr Gesamtimpuls ist null, obwohl der innere Impuls (pi=mi'vi') nicht null ist.

Wenn ein Teil der kinetischen Energie in Mo durch die Kollision mit einem externen Objekt reduziert wird, wird die interne kinetische Energie als sichtbare kinetische Energie übertragen. Mo hat noch viel verbleibende kinetische Energie. Wenn die Einzelgeschwindigkeit v' verringert wird, wird gemäß Gleichung (3) auch Mo verringert. Das bedeutet, dass ein Teil der Ruheenergie von Mo in sichtbare kinetische Energie umgewandelt wird. Daher sieht es so aus, als ob Material innerhalb der Ruhemasse aus Mo verschwunden wäre. Nicht nur die Kernreaktion, sondern auch die chemische Reaktion wandelt einen Teil der Masse in Energie um. Solange die Ruhemasse einen inneren Impuls hat, gibt es einen Raum, um kinetische Energie freizusetzen.

vi' gewöhnlicher Materie ist bei weitem kleiner als Elementarteilchen. Dann ist dMo klein, weil vi' ursprünglich nahe Null ist, selbst wenn vi' auf 0 reduziert wird. Um eine große Menge Mo in sichtbare Energie umzuwandeln, muss auch mio in Energie umgewandelt werden. Gleichung (4), (5), (6), (7) zeigt, dass es durch wiederholte Zersetzung möglich ist, Ruhemasse (Mo) in Energie umzuwandeln. Endlich könnte Materie in Photonenenergie umgewandelt werden.

Vergiss folgende Tatsache nicht. Kombinierte Masse, die sich aus relativistischen Massen zusammensetzt und Nullimpuls bildet, ist eine Art Ruhemasse (Mo, Mio, .... und so weiter).

Sehen Sie sich die Einzelheiten der Erklärung auf der Website an. miyajiphysics.info