Warum Ist E = Mc ^ 2?

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Der astrophysiker paul sutter zeigt die wissenschaft hinter einsteins berühmter e = mc2-gleichung.

Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber der Podcasts Ask a Spaceman und RealSpace sowie der YouTube-Serie Space In Your Face. Sutter trug diesen Artikel zu WordsSideKick.com's Expert Voices bei: Op-Ed & Insights.

Lassen Sie uns ein Spiel spielen! Die Lichtgeschwindigkeit ist nur eine Zahl, oder? Wenn Sie Ihre Einheiten definieren, beispielsweise, was ein "Meter" und ein "Zweiter" sind, können Sie sagen, dass die Lichtgeschwindigkeit etwa 300.000.000 Meter pro Sekunde beträgt. Oder 670.000.000 Meilen pro "Stunde", was auch immer das ist.

Was wäre, wenn wir stattdessen nur sagten, die Lichtgeschwindigkeit sei gleich… 1. Nur 1. Also, was? Ich sagte: nur 1. Keine Meilen, keine Sekunden, keine Vierzehn, keine Ligen. Nur 1. Wir dürfen das, weil es nur eine Zahl ist, und wir wählen ein System aus, in dem Geschwindigkeit keine Einheiten hat. In diesem System kreuzt ein Düsenflugzeug mit einer Schneckentempo von 0,000001 oder 0,0001 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Zwei der schnellsten von Menschen gemachten Objekte, die Helios-Sonden, zoomten mit 0.00025 um das Sonnensystem. Schau sie an!

Nachdem wir die Lichtgeschwindigkeit als 1 definiert haben, betrachten wir die berühmteste Gleichung in der Physik: E = mc2. [Infografik: Wie Einsteins E = mc ^ 2 funktioniert]

Wir kennen alle Teile, aber lass uns auffrischen: E ist für Energie, m ist für Masse und c ist der ckonstante Lichtgeschwindigkeit. Aber in unserem neuartigen Einheitensystem (genannt für technisch versierte, geometrisierte Einheiten), c ist gleich 1, und diese berühmte Gleichung läuft auf das Wesentliche hinaus:

E = m.

Ich werde es sogar buchstabieren:

Energie = Masse

Klarer geht es nicht, Leute. Energie ist Masse. Masse ist Energie. Sie sind gleichwertig; Sie sind gleich. Sie sind das Gleiche.

Warten Sie, warten Sie, warten Sie, sagen Sie, während Sie mich misstrauisch betrachten. Was ist mit Licht? Photonen haben keine Masse, aber sie haben reichlich Energie. Wie essen Pflanzen sonst?

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Du hast recht, Photonen haben keine Masse. Aber sie haben Schwung, so dass Dinge wie leichte Segel (auch Sonnensegel genannt) den nötigen Schwung bekommen, um im Sonnensystem gleiten zu können: Ihr Antrieb beruht auf dem Strahlungsdruck der Sonne. Und Schwung hat Energie. Aber wo ist der Impuls in E = m? Es sieht so aus, als hätten wir nicht genug Buchstaben, um es einzuquetschen.

Die Verwirrung kommt von dem "m", das in E = m verwendet wird. Normalerweise meinen wir "Masse" als etwas Konkretes und Einfaches. Halte einen Stein in der Hand. es hat Masse Wirf es, und es hat Masse und Schwung. Aber das ist nicht das "m" in E = m. Als Einstein diese Gleichung niedergeschrieben hatte, meinte er etwas anderes, das normalerweise als "relativistische Masse" bezeichnet wird. [8 Möglichkeiten, wie Sie Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben sehen können]

Dieser Begriff wird heutzutage nicht mehr so ​​oft verwendet, weil er so viel Kopfzerkratzen verursacht.

Lasst uns einen Schritt zurückgehen und sehen, was Einstein dachte.

Sie erinnern sich an die spezielle Relativitätstheorie auf Kindergartenebene und hören Dinge wie "es ist unmöglich, sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen, denn je schneller etwas geht, desto mehr Masse hat es. Um die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, hat es unendlich viel Masse", sagt es wäre unmöglich zu schieben! " Ja, nun ist es Zeit für spezielle Relativitätstheorie.

Ein grundlegender Aspekt unseres Universums ist, dass es ein Universelles gibt (und das meine ich wirklich.) Universal-) Geschwindigkeitsbegrenzung: die gleiche Geschwindigkeit, die das Licht geht. Egal was, du kannst diese Geschwindigkeit niemals knacken. Mal sehen, wie sich das in der Praxis entwickelt:

Nehmen wir an, ich gebe Ihnen einen schönen, soliden Schubs und schicke Sie mit 0,9 weg - das heißt 9/10 der Lichtgeschwindigkeit. Was ist, wenn ich dich einholte und dir gebe genau die gleiche shove wieder. Sie werden nicht um 18/10 die Lichtgeschwindigkeit erreichen, weil das nicht erlaubt ist. Du wirst kriegen näher auf die Lichtgeschwindigkeit, aber niemals überqueren. Also für die gleiche Kraft, die ich auf dein hoffnungsloses Ich auswirke, bewege ich dich nicht so schnell. Ich bekomme weniger für das Geld.

Und je näher Sie der Lichtgeschwindigkeit kommen, desto weniger effektiv werden meine Schübe sein: Der erste kann Sie auf 0,9 bringen, dann den zweiten auf 0,99, dann 0,999, dann 0,9999. Reduzierte Erträge jedes Mal. In der Tat ist es als ob Du wurdest massiver. Genau das bedeutet mehr Masse: Es wird schwerer zu schieben.

So was ist los? Die Antwort ist Energie. Sie haben immer noch dieselbe alte, tägliche Ruhemasse, die Sie immer hatten. Aber du gehst wirklich, Ja wirklich schnell. Und mit dieser Geschwindigkeit ist eine Energie verbunden - kinetische Energie. Es ist also alles, was kinetische Energie ist Schauspielkunst wie zusätzliche Masse; Egal wie ich es zähle, Sie werden aufgrund dieser grundlegenden Geschwindigkeitsbegrenzung schwerer zu pushen.

Mit anderen Worten, man kann sagen, dass Energie Masse ist. Huh, was weißt du schon.

Zurück zum "m" in E = m. Als Physiker zum ersten Mal mit diesen Gleichungen anfingen, waren sie sich der universellen Geschwindigkeitsbegrenzung und der nicht intuitiven Folge dessen bewusst, dass es schwieriger wird, je schneller Sie drücken.Also haben sie dieses Konzept in eine einzige Variable gekapselt: die relativistische Masse, die sowohl die normale, alltägliche Masse als auch die "effektive" Masse kombiniert, die Sie durch das Aufladen von kinetischer Energie gewinnen.

Wenn wir "m" in seine verschiedenen Teile aufteilen, erhalten wir:

E2 = m2 + p2

Oder unseren Freund c zurückbringen:

E2 = m2c4 + p2c2

Und wir haben einen anderen Charakter, der sich der Party anschließt: pfür den Schwung. Photonen haben keine Masse, aber sie haben einen Impuls, also bekommen sie immer noch Energie.

In dieser Ansicht ist Masse eine Art Energie. Aber ich habe gerade gesagt, dass Energie wie Masse wirkt. Was ist das Problem? Reden wir nur im Kreis?

Masse ist Energie. Energie ist Masse. Sie können Dinge energie- oder massenweise zählen. Es spielt keine Rolle Sie sind das Gleiche.

Eine heiße Tasse Kaffee wiegt buchstäblich mehr als eine kalte Tasse. Ein sich schnell bewegendes Raumschiff wiegt buchstäblich mehr als ein langsames. Ein Stein - oder ein Atomkern - ist ein kompakter, gebündelter Energieball, und manchmal können wir einen Teil dieser Energie für einen großen Aufschwung herausfordern.

Weitere Informationen finden Sie in der Folge "Warum ist E = mc ^ 2?" im Ask A Spaceman-Podcast, verfügbar bei iTunes und im Internet unter //askaspaceman.com. Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder befolgen Sie Paul @PaulMattSutterund facebook.com/PaulMattSutter.

Verfolgen Sie alle Fragen und Diskussionen der Expert Voices - und werden Sie Teil der Diskussion - auf Facebook, Twitter und Google+. Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten des Herausgebers wider. Diese Version des Artikels wurde ursprünglich auf WordsSideKick.com veröffentlicht.


Videoergänzungsan: Einstein's Proof of E=mc².




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