24 votos

¿Por qué las ondas y las partículas pueden tener energía sin masa?

Ahora sólo quiero señalar que todavía estoy en la prepa y yo realmente no tienen ninguna educación avanzada dentro de la física, sin embargo, esto es algo que ha estado en mi mente. Creo que podría estar completamente equivocado con mis conocimientos sobre las olas, como un todo, sin embargo. Ok, así que, desde mi entendimiento de las ondas y el objeto, las olas tienen un par de características que definen a: ser masa y la energía que tiene. Objeto de masa y energía. Así que de acuerdo a la ecuación de Einstein $$E=mc^2,$$ la masa y la energía van de la mano (más o menos) así que ¿por qué no hacer olas, que han de energía no tienen masa?

Soy consciente de la dualidad onda-partícula, pero (ahora puedo estar equivocado en esto), a mi entender, que es con respecto a las partículas que emiten débiles ondas y no la otra manera alrededor.

46voto

Ben Ford Puntos 1336

$E=mc^2$ De la ecuación es incompleta. La forma correcta es (en unidades con $c=1$) $E=\sqrt{m^2+p^2}$. Cuando un objeto está en reposo y $E=m$ se recupera. Pero para objetos sin masa $E=p$. Así que esto significa que incluso los objetos que no tienen masa pueden tener energía porque tienen impulso y ondas llevan ímpetu. Nunca pueden ser objetos sin masa en reposo.

14voto

Bien, pensar acerca de los fotones. El campo electromagnético puede cange la energía de la materia cargada, por lo que tiene de almacenar energía. Las ondas electromagnéticas interaccionan con la materia y puede acelerar o desacelerar, como es evidente a partir de la vida cotidiana.

Pero vamos a pensar acerca de esto en un relativista, la teoría de campo de enfoque. Es un cambio en la perspectiva que se tiene que hacer, cuando se desea estudiar un relativista, la teoría de campo. Y, a velocidades que se acercan (o alcance, en el caso de los fotones) la velocidad de la luz, la teoría de campo relativista es el camino a seguir, por lo que es bueno para desarrollar algunas intuición.

Permítanme comenzar con una masiva del campo, de la masa $m$. Pensar sólo como un campo, como el EM campo: una ley asociando a cada punto en el espacio, un valor, un vector o de cualquier tipo de elemento. Voy a aclarar el concepto de campo "de masas" en breve. Ahora, en el caso más simple (campo libre) podemos decir que el campo tiene cero de energía cuando se desvanece en todas partes. Cualquier emocionado de configuración (nonvanishing campo) tiene una energía positiva. Considere la posibilidad de un plano de la onda que se propaga: desde el Lagrangiano (no voy a entrar en detalles), se tiene que la energía de este plano de onda en relación a su impulso $p$ es $$ E(p)=\sqrt{p^2c^2+m^2c^4}. $$ Ahora, la velocidad de grupo de las ondas (a grandes rasgos, la velocidad a la que un sobre que se mueve) es $$ v_g=\frac{\partial E}{\partial p}=\frac{p}{E}c. $$ Como es obvio que $E>p$, este número es siempre menor que $c$. La velocidad de grupo de este campo no puede ser mayor que la velocidad de la luz, si usted no tiene una masa cero. Usted puede definir la masa a través de la $E(p)$ relación.

Esto es para las oleadas masivas. Masa ondas son diferentes: para aquellos, la relación de dispersión es $$ E(p)=|p|c. $$ El cálculo de la velocidad de grupo como un derivado, ha $v_g=c$, masa ondas se mueven con velocidad de grupo $c$, la velocidad de la luz. Pero todavía tienen la energía, por el hecho de que una ola de configuración es distinto de cero configuración del campo. Usted puede ver esto como un límite de $m\to0$, incluso si esta no es la forma correcta de pensar. Masa ondas viajan siempre a la velocidad de la luz, y su relación de dispersión es totalmente diferente de la enorme relación de dispersión.

Todavía, sin masa ondas de energía, ya que pueden interactuar con la materia intercambio de energía. Así, en la teoría de campo relativista, no extraña en absoluto tener masa campos energéticos, como la energía es una forma de cuantificar su "enérgica distancia" desde el vacío de configuración, cuando el campo es 0 en todas partes (y no interactúa con otros objetos).

EDIT: para dar un ejemplo acerca de cómo la EM campo acelera los objetos en la vida cotidiana, podemos ir a nonrelativistic teoría de la interacción de la luz con la materia. En este caso se trata en realidad de QM, pero vamos a seguir con el modelo clásico para dar una intuitiva ejemplo. Puede describir un sólido muy aproximadamente como un conjunto de electrones, de una masa efectiva $m^*$. Puede imitar las interacciones entre los electrones mediante un parámetro de relajación $\tau$. Ahora, vamos a una onda EM $\vec E$ de aciertos de los sólidos: las ecuaciones de movimiento para el electrón se $$ m^*\ddot{\vec x}+\frac{m^*}\tau\dot{\vec x}=-e\vec E $$ Ahora, con una onda oscilante usted puede tratar de un resonador de solución, y encuentran que los electrones se oscilar alrededor de su posición inicial, con un factor de amortiguamiento. Los electrones son acelerados, ya que absorben energías de los campos EM.

Esta es la base del modelo de Drude, que se describe en cada buen libro de física estadística o física del estado sólido. Este modelo explica las propiedades macroscópicas de un material mediante la descripción de lo microscópico y la aplicación de herramientas estadísticas. Ahora, el modelo de Drude bastante falla a bajas temperaturas, ya que se basa en la mecánica clásica, pero su lección sigue siendo válida: EM campo interactúa con un objeto, emocionante (o la aceleración, en un clásico punto de vista) los cargos dentro del material, haciendo que la conducción de la corriente eléctrica en el interior del material y la emisión de fotones fuera de ella, los fotones que le permitirá ver el cuerpo cuando llegan a tu ojo. Ver electrones acelerados a diario cuando te $\textit{see anything}$: simplemente, se perciben por medio de los fotones que se emiten. Pero la emisión de los fotones es debido a la excitación (o aceleración) de los componentes del material de fuentes externas, como la masa las ondas electromagnéticas que provienen del Sol o de una lámpara sencilla.

11voto

Fernando Briano Puntos 3704

desde mi comprensión de las olas y el objeto, las olas tienen un par de características que definen a: ser masa y la energía que tiene.

Las ondas se han observado en el agua, para empezar, y luego se encontró que el sonido puede ser descrito con ondas, es decir, como las soluciones de los diferenciales ecuaciones de onda, como también las cadenas pueden mostrar el comportamiento de las ondas.

Una onda de agua puede ser descrito por la energía que lleva y la altura, la amplitud de la onda. Pero es andar en un medio (el que tiene masa), un gran número de moléculas de agua cuya masa no es relevante para la clásica de la onda de agua descripción (que está implícita en las constantes que describen el comportamiento de los fluidos).

Waves

Las olas pueden ser graficados como una función del tiempo o la distancia. Una sola frecuencia de la onda aparecerá como una onda sinusoidal en cualquiera de los casos. Desde la distancia gráfica de la longitud de onda se puede determinar. Desde el momento en el gráfico, el período y la frecuencia pueden ser obtenidos. De los dos juntos, la velocidad de la onda se puede determinar.

Las ondas de luz son clásicos, y que la transferencia de energía, pero se ha encontrado experimentalmente que no son de montar en un medio.

Esto nos lleva a la mecánica cuántica marco donde se $E = mc^2$ es relevante y definido.

En realidad, para las partículas en la mecánica cuántica marco de la energía es $E^2 = p^2 + m_0^2$, donde la relatividad especial tiene que ser utilizado y hay cuatro vectores, $(E, p_x,p_y,p_z)$ e las $m_0$ es la "longitud" de este cuatro-vector. (Aquí suponemos que la c, la velocidad de la luz, es 1).

Objeto de masa y energía.

Clásico de los objetos.

Así que de acuerdo a la ecuación de Einstein $E=mc^2$, la masa y la energía van de la mano (una especie de)

Ver arriba y vínculos para la mecánica cuántica objetos.

así que ¿por qué no hacer olas, que han de energía no tienen masa?

Clásica ondas de paseo en átomos y moléculas, que tienen masa.

Las ondas electromagnéticas que clásicamente han variación de los campos eléctricos y magnéticos en el espacio y el tiempo, y la mecánica cuántica se lo están montando en los fotones que tienen masa 0 por las ecuaciones de la relatividad especial; sólo tienen energía igual a la inercia.

Soy consciente de la dualidad onda-partícula, pero (ahora puedo estar equivocado en esto), a mi entender, que es con respecto a las partículas que emiten débiles ondas y no la otra manera alrededor.

Estás confundiendo los dos marcos, la clásica y la mecánica cuántica. La onda partícula de la dualidad es una mecánica cuántica fenómeno, pero las partículas no están extendidas como un clásico onda de agua. La mecánica cuántica de densidad de probabilidad de encontrar a través de la medición de una partícula en un particular (x,y,z) obedece ecuaciones de onda y se puede demostrar que los patrones de interferencia como la clásica de las olas. Este experimento de envío único de los electrones en un doble rendija puede ayudar a entender la diferencia entre la densidad de probabilidad el comportamiento de las ondas y de las partículas en sí.

3voto

Stig Hemmer Puntos 131

(Me estoy repitiendo lo que otros han dicho, pero espero que en una más sencilla y en un lenguaje accesible)

El problema es que tanto la energía y la masa puede significar más de una cosa.
La energía puede significar la energía de reposo o total de la energía. (o un número de otras cosas)
La masa puede significar resto de la masa o relativista de la masa. $$E_{rest}=m_{rest}c^2$$ $$E_{total}=m_{rel}c^2$$

Para una partícula normal, como un átomo de uranio, la primera ecuación dice que tiene energía incluso cuando está parado. Para la luz, la cual tiene cero resto de la masa, se dice que la luz está sentado todavía tiene cero de energía. O, en otras palabras, la luz no puede quedarse quieto.

La segunda ecuación dice que todas las formas de energía relativista de la masa, incluyendo la energía cinética. Para el normal partículas esto significa que se ponen más pesados como el que más. Para la luz, esto significa que él tiene tanto distinto de cero de la energía y la no-cero relativista de la masa.

Ahora, estas dos ecuaciones son simples multiplicaciones con una constante. Esto sugiere que la energía y la masa es la misma cosa, sólo se mide en diferentes unidades. Cuando otras respuestas han dicho conjunto $c=1$, básicamente nos dicen que las cosas se ponen más fácil si se miden $E$ $m$ en las mismas unidades.

Los físicos han tomado esto de corazón y no hablamos tanto el resto de la masa y la energía de reposo ya que es redundante. El término utilizado es "masa de reposo" o simplemente "masa".

Asimismo, rara vez hablan de "masa relativista", pero preferimos decir "energía total" o simplemente "energía".

Cuando se utiliza esta convención, no se puede decir $E=mc^2$ desde el total de la energía y el resto de la masa no encajan en este camino.

1voto

Yogi DMT Puntos 53

Cuando empiezas a pensar qué masa es a un nivel más profundo se convierte en más fácil de separar de la idea de la energía. Los dos no son necesariamente mutuamente exclusivos. Uno podría pensar de la masa como algo que tiene resistencia a los cambios de velocidad. Uno podría pensar también de energía como lo que se requiere para cambiar la velocidad de una entidad, que entidad no necesariamente tiene que tener una resistencia intrínseca a los cambios de velocidad.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X