¿Cómo se convierte la masa en reposo en energía?

Question

Sé que hay una diferencia entre masa relativista y masa en reposo. La masa relativista se "adquiere" cuando un objeto se mueve a velocidades comparables a la de la luz. La masa en reposo es la masa inherente que tiene algo independientemente de la velocidad a la que se mueva.

Cuando se produce la fusión, un determinado porcentaje de la masa en reposo de dos átomos de hidrógeno se convierte en energía. Entiendo que $E = m_{rest}c^2$ .

¿Cómo se transforma en energía la masa en reposo de un objeto? ¿Tiene esto que ver con la física de partículas? ¿No sugiere esto que la masa en reposo puede verse como una especie de energía potencial? Me parece que es una especie de energía bloqueada que tiene que someterse a un determinado proceso para expulsar su energía a las partículas circundantes.

También, ¿Por qué sólo un pequeño porcentaje de la masa en reposo se convierte en energía? ¿Por qué no toda? ¿Qué determina la cantidad de masa en reposo que se transforma en energía?

Answer 1

Si estoy leyendo bien, creo que su pregunta principal es:

¿Por qué sólo un pequeño porcentaje de la masa en reposo se convierte en energía [incluso en el caso de la fusión]?

Se debe a que el universo es muy estricto con un pequeño conjunto de reglas de conservación, y ciertas combinaciones de estas reglas hacen que la materia ordinaria sea extremadamente estable. Exactamente por qué estas reglas se cumplen tan estrictamente en algunos casos, y menos en otros, es algo que se observa experimentalmente. Pero es bueno que existan estas reglas de conservación, pues de lo contrario posiblemente no estaríamos aquí hablando de ellas. En el mejor de los casos, el universo no sería más que una enorme bola de energía libre sin estructura.

En la mayoría de los casos, estas leyes de conservación se expresan como pares de propiedades que se anulan mutuamente. Sin embargo, cada una de estas propiedades emparejadas en aislamiento es extremadamente estable y no puede simplemente "deshacerse" o eliminarse de nuestro universo. Ejemplos: la carga eléctrica, para la que se pueden crear cantidades iguales de carga positiva y negativa. juntos El momento lineal, para el que Newton identificó un binomio de conservación al observar que "para cada reacción hay una reacción igual y opuesta"; y el momento angular, en el que un ejemplo de binomio se produce si intentas girar demasiado rápido mientras estás sentado en un asiento giratorio, lo que puede hacer que el asiento gire en la dirección opuesta a la que pretendías.

Las partículas que componen la materia ordinaria están sujetas a algunas reglas de conservación adicionales más sutiles que describen la estructura matemática de las partículas. Estas reglas están cubiertas por el Modelo estándar de la física de partículas, pero desgraciadamente son no está expresado de forma fácil de entender .

No obstante, intentaré utilizar una analogía geométrica algo arriesgada para explicar el impacto neto de las estructuras matemáticas conservadas del Modelo Estándar. Tomemos una varilla corta y enrollemos un cierto número de bucles de alambre a su alrededor en forma de hélice, fijando los extremos para que no puedan deslizarse. La estructura resultante es zurda o diestra, dependiendo de cómo hayas enrollado el alambre. Fíjate también en que, a falta de desenrollarlo, la dirección de enrollado (derecha o izquierda) del alambre se ha convertido en una característica permanente de lo que has creado, en el sentido de que no puedes eliminarla salvo desenrollándolo explícitamente.

Ahora coloque dos de estas varillas una al lado de la otra, una con la bobina a la izquierda y la otra con la bobina a la derecha, soldando los extremos de los cables donde se tocan. Ahora tienes una situación bastante diferente, ya que si tiras con fuerza de los extremos de esta nueva bobina combinada, las dos bobinas se cancelarán y el cable se volverá recto . Sus dos "estructuras" (bobinado izquierdo y derecho) se han anulado mutuamente.

Por desgracia, en el Modelo Estándar no se encuentran estructuras tan sencillas. Sin embargo, podría decirse que una idea similar se aplica también allí, aunque de forma más abstracta.

Es decir, una partícula de materia ordinaria del modelo estándar también está "atrapada" en una estructura abstracta que no puede deshacerse sin acceder antes a una estructura "imagen especular" en una partícula por lo demás similar. Al igual que la bobina de alambre alrededor de una varilla, esta propiedad estructural abstracta de cada partícula de este tipo se conserva mientras las partículas permanezcan aisladas unas de otras. Pero cuando estas partículas que anulan la estructura se encuentran, la masa en reposo de ambas puede liberarse y la ecuación $E=mc^2$ es plenamente aplicable.

Las partículas con estructuras que se anulan matemáticamente se denominan, apropiadamente, antipartículas y en grandes cantidades forman antimateria . Por lo tanto, también se podría decir que la masa en reposo está igual de "disponible" para $E=mc^2$ utilizar como cualquier otra forma de energía potencial, sino que la curiosa falta de grandes cantidades de antimateria en el universo visible acaba protegiendo la masa en reposo de la materia ordinaria en la mayoría de las circunstancias.

Answer 2

¿Cómo se transforma en energía la masa en reposo de un objeto? Este artículo explica la respuesta. No lo he resumido porque tendría que citar básicamente partes gigantescas del artículo. Sí, tiene que ver con la física de partículas, sugiere que la masa en reposo puede verse como una especie de energía potencial y parece una especie de energía bloqueada.

¿Por qué sólo un pequeño porcentaje de la masa en reposo se convierte en energía? ¿Por qué no toda? ¿Qué determina la cantidad de masa en reposo que se transforma en energía? Creo que te refieres a la energía de enlace. "Esta energía de enlace nuclear (energía de enlace de los nucleones en un nucleido) se deriva de la fuerza nuclear (interacción fuerte residual y es la energía necesaria para desensamblar un núcleo en el mismo número de neutrones y protones libres y no enlazados que lo componen, de modo que los nucleones estén lo suficientemente lejos/distantes entre sí como para que la fuerza nuclear ya no pueda hacer que las partículas interactúen" citado de Wikipedia .

Answer 3

¿Cómo se transforma en energía la masa en reposo de un objeto?

La masa en reposo no puede convertirse en energía. ¿Qué es la masa en reposo? En términos generales, la masa es la inercia de un objeto, la fuerza dividida por la aceleración. Resulta que la inercia de un objeto es exactamente proporcional a la energía. ¿No es eso lo que $E = mc^2$ ¿está diciendo? En cualquier momento, la inercia (masa) de un objeto es igual a sus energías potencial y cinética divididas por $c^2$ .

¿No sugiere esto que la masa en reposo puede considerarse una especie de energía potencial?

Masa en reposo es energía. La mayor parte de la masa del universo procede de las interacciones de los quarks con el campo de los gluones (energías cinética y potencial), parte de las interacciones de las partículas elementales con el campo de Higgs (energía inmóvil), etc. Todas estas cosas dan inercia a los objetos. Sin embargo, la energía potencial eléctrica también da inercia a los objetos. Lo mismo ocurre con la energía térmica y la energía cinética normal. Sólo que no hay tanta en el mundo, por lo que es difícil notar sus efectos en la inercia de algo. (La energía atrapada en un átomo es muy estable y gigantesca, por lo que parece ser la única causa de inercia).

Así que lo que tú llamas masa que se convierte en energía es en realidad energía del campo de gluones que se convierte en energía térmica, luminosa y sonora. En cualquier caso, sigue siendo masa, ya que toda energía es masa. O una forma mejor de expresarlo es que la masa es un propiedad de energía. Preguntar cómo la masa se convierte en energía es como preguntar cómo el verdor de una bolsita de té se convierte en té. En primer lugar era té, y sigue siendo verde.

La masa relativista se "adquiere" cuando un objeto se mueve a velocidades comparables a la de la luz. La masa en reposo es la masa inherente que tiene algo independientemente de la velocidad a la que se mueva.

La masa en reposo incluye las energías cinéticas, pero sólo incluye el movimiento relativo. Por ejemplo, si dos bolas se mueven con la misma velocidad, su movimiento no contribuye a la masa en reposo. Sin embargo, si se mueven una hacia la otra, hay movimiento relativo independientemente del marco de referencia que elijamos, por lo que la energía cinética contribuye a la masa en reposo. Además, técnicamente, la inercia es masa relativista, que es proporcional a la energía total. Sin embargo, resulta molesto que dependa del sistema de referencia, por lo que solemos utilizar la masa en reposo.

En cuanto a las demás preguntas, las otras respuestas ofrecen explicaciones bastante adecuadas.

Answer 4

Antes de considerar cómo la masa en reposo de un objeto se convierte en energía, hay que tener en cuenta qué es la masa relativista. La masa relativista se expresa mediante la ecuación(1) y la ecuación(2). La masa (M) se compone de innumerables masas relativistas que tienen energía cinética y pequeñas masas en reposo como se expresa en la ecuación (2). vi es la velocidad de la masa individual (mi). Cuando la masa relativista(M) está en movimiento, se expresa mediante la ecuación(1). Cuando está en reposo, M se convierte en Mo. Sin embargo, debemos recordar que la masa en reposo(Mo) está formada por masas en movimiento.

Fig1 indica que la masa(M) se mueve con una velocidad representativa V en el marco inercial estándar-a. P(=MV) es también un momento representativo. Cuando M se observa desde el marco-b, Mo está en reposo en el marco-b. La ecuación (3) indica que Mo está formado por un montón de pequeñas masas relativistas. vi' es la velocidad de la masa individual(mi') en el marco-b. En el mundo real, la masa(Mo) está formada por moléculas en movimiento y su momento total es cero aunque el momento interno(pi=mi'vi') no sea cero.

Cuando una parte de la energía cinética dentro de Mo se reduce por la colisión con un objeto externo, la energía cinética interna se transfiere como energía cinética visible. Mo todavía tiene mucha energía cinética remanente. De acuerdo con la ecuación(3), si la velocidad individual v' se reduce, Mo también se reduce. Esto significa que una parte de la energía en reposo de Mo se convierte en energía cinética visible. Por lo tanto, parece como si el material dentro de la masa en reposo desapareciera de Mo. No solo la reaccion nuclear sino tambien la reaccion quimica transforman una parte de la masa en energia. Mientras la masa en reposo tenga momento interno, hay espacio para liberar energía cinética.

vi' de un material ordinario es mucho más pequeño que una partícula elemental. Entonces, dMo es pequeño porque vi' es originalmente cercano a cero incluso si vi' se reduce a 0. Para convertir una gran cantidad de Mo en energía visible, mio también necesita convertirse en energía. La ecuación (4),(5),(6),(7) indica que la repetición de la descomposición permite convertir la masa en reposo(Mo) en energía. Por último, la materia podría convertirse en energía fotónica.

No olvides el siguiente dato. La masa combinada que se compone de masas relativistas y forma momento cero es una especie de masa en reposo(Mo,mio,....y así sucesivamente).

Consulte las explicaciones detalladas en el sitio web. miyajiphysics.info