Ako pochopiť E=mc2: 7 krokov (s obrázkami)

V jednej z prevratných vedeckých prác Alberta Einsteina uverejnenej v roku 1905 sa uvádza E=mc2; kde E je energia, m je hmotnosť a c je rýchlosť svetla vo vákuu.[1]
Odvtedy sa E=mc2 stala jednou z najznámejších rovníc na svete. Dokonca aj ľudia bez fyzikálneho vzdelania prinajmenšom počuli o tejto rovnici a uvedomujú si jej ohromný vplyv na svet, v ktorom žijeme. Väčšina ľudí však presne nevie, čo táto rovnica znamená. Zjednodušene povedané, rovnica predstavuje vzťah energie a hmoty: energia a hmota sú v podstate len dve rôzne formy tej istej veci.[2]
Táto relatívne jednoduchá rovnica zmenila spôsob, akým uvažujeme o energii, a poskytla nám množstvo technologických pokrokov.

Časť 1 z 2:Pochopenie rovnice


Definujte premenné rovnice. Prvým krokom k pochopeniu akejkoľvek rovnice je vedieť, čo jednotlivé premenné znamenajú. V tomto prípade je E energia objektu v pokoji, m je hmotnosť objektu a c je rýchlosť svetla vo vákuu.

  • Rýchlosť svetla c je konštantná vo všetkých vzťažných rámcoch a je približne rovná 3.00×108 metrov za sekundu. V kontexte Einsteinovej teórie relativity funguje c2 skôr ako prevodný faktor jednotiek než ako konštanta. Ako taká je kvadratická ako výsledok rozmerovej analýzy – energia sa meria v jouloch alebo kg m2 s-2, takže pridanie c2 zabezpečuje, že vzťah medzi energiou a hmotnosťou je rozmerovo konzistentný.


Pochopte, čo znamená energia. Existuje mnoho foriem energie vrátane tepelnej, elektrickej, chemickej, jadrovej a ďalších.[3]
Energia sa prenáša medzi systémami, čím sa jednému systému dodáva energia a druhému sa odoberá.

  • Energia sa nedá vytvoriť ani zničiť, môže len nadobudnúť inú formu. Napríklad uhlie má veľa potenciálnej energie, ktorá sa pri spaľovaní mení na tepelnú energiu.


Definujte, čo znamená hmotnosť. Hmotnosť sa všeobecne definuje ako množstvo hmoty v objekte.[4]

  • Existuje aj niekoľko ďalších definícií hmotnosti. Existuje „invariantná hmotnosť“ a „relativistická hmotnosť“.“ Invariantná hmotnosť je hmotnosť, ktorá zostáva nezmenená bez ohľadu na to, v akom referenčnom rámci sa nachádzate. Relativistická hmotnosť, na druhej strane, závisí od rýchlosti objektu. V rovnici E = mc2 sa m vzťahuje na invariantnú hmotnosť. To je veľmi dôležité, pretože to znamená, že vaša hmotnosť sa nie v rozpore s rozšíreným názorom rastie pri rýchlejšej jazde.
  • Je dôležité pochopiť, že hmotnosť a váha sa líšia. Hmotnosť je gravitačná sila pociťovaná objektom, zatiaľ čo hmotnosť je množstvo hmoty v tomto objekte. Hmotnosť sa môže zmeniť len vtedy, ak sa objekt fyzicky zmení, zatiaľ čo hmotnosť sa mení v závislosti od gravitácie prostredia, v ktorom sa objekt nachádza. Hmotnosť sa meria v kilogramoch (kg), zatiaľ čo hmotnosť sa meria v newtnoch (N).
  • Hmotnosť sa podobne ako energia nedá vytvoriť ani zničiť, ale môže tiež meniť svoju formu. Napríklad kocka ľadu sa môže roztopiť na kvapalinu, ale v oboch stavoch má stále rovnakú hmotnosť.


Uvedomte si, že hmotnosť a energia sú rovnocenné.[5]
Rovnica uvádza, že hmotnosť a energia sú to isté a hovorí, koľko energie sa nachádza v určitom množstve hmoty. Rovnica v podstate vysvetľuje, že malé množstvo hmoty je plné veľkého množstva energie.

2. časť z 2:Aplikácia rovnice v reálnom svete


Pochopte, odkiaľ pochádza využiteľná energia. Väčšina našej spotrebovanej energie pochádza zo spaľovania uhlia a zemného plynu. Pri spaľovaní týchto látok sa využívajú ich valenčné elektróny (nespárované elektróny vo vonkajšej škrupine atómu) a väzby, ktoré vytvárajú s inými prvkami. Keď sa pridá teplo, tieto väzby sa pretrhnú a uvoľnená energia sa použije na pohon našich spoločenstiev.

  • Získavanie energie týmto spôsobom nie je veľmi efektívne a je nákladné pre životné prostredie.


Aplikujte Einsteinovu rovnicu na zefektívnenie premeny energie. E=mc2 nám hovorí, že v jadre atómu je uložené oveľa viac energie ako vo valenčných elektrónoch. Energia uvoľnená pri štiepení atómu je oveľa vyššia ako energia uvoľnená pri rozbíjaní elektrónových väzieb.

  • Jadrová energia je založená na tomto princípe. Jadrové reaktory spôsobujú štiepenie (štiepenie atómov) a zachytávajú obrovské množstvo uvoľnenej energie.

  • Objavte technológie, ktoré umožňuje E=mc2. E=mc2 umožnila vznik mnohých nových a vzrušujúcich technológií, z ktorých si bez niektorých nevieme predstaviť život:[6]

    • PET skenovanie využíva rádioaktivitu na zobrazenie vnútra tela.
    • Rovnica umožnila rozvoj telekomunikácií pomocou satelitov a roverov.
    • Rádiouhlíkové datovanie využíva rádioaktívny rozpad na základe rovnice na určenie veku starovekých predmetov.
    • Jadrová energia poskytuje našej spoločnosti čistejšie a účinnejšie zdroje energie.
  • Odkazy