בעבודה מדעית מהפכנית שגילה אלברט איינשטיין בשנת 1905, E = mc2 הציג, שבו: E היא אנרגיה, m היא מסה, ו- c היא מהירות האור בחלל ריק. מאז, E = mc2 הפכה לאחת המשוואות המוכרות ביותר בעולם. למעשה, אנשים ללא רקע בפיזיקה שמעו לפחות על המשוואה הזו ומודעים להשפעה העצומה שלה על העולם. עם זאת, רוב האנשים אינם יודעים מה המשמעות של המשוואה. במילים פשוטות, משוואה זו מייצגת את המתאם של אנרגיה לחומר: בעיקרו, אנרגיה וחומר הן שתי צורות של אותו דבר. המשוואה הפשוטה הזו שינתה את הדרך בה אנו חושבים על אנרגיה והולידה התקדמות טכנולוגית שונות.
שלב
חלק 1 מתוך 2: הבנת משוואות
שלב 1. הגדר את משתני המשוואה
השלב הראשון להבנת המשוואה הוא הכרת המשמעות של כל אחד מהמשתנים. במקרה זה, E היא האנרגיה של אובייקט נייח, m היא מסה של האובייקט, ו- c היא מהירות האור בחלל ריק.
מהירות האור (ג) היא קבוע השווה בכל משוואה ושווה בערך ל 3.00x108 מטרים לשנייה. בהקשר של היחסות של איינשטיין, ג2 מתפקד יותר כגורם המרה יחידה מאשר קבוע. לכן, c בריבוע כתוצאה מהניתוח הממדי (האנרגיה נמדדת בג'ול, או ק"ג מ '2 ש-2) כך שהתוספת של ג2 להבטיח שהקשר בין אנרגיה למסה הוא עקבי מבחינה ממדית.
שלב 2. להבין מהי אנרגיה
ישנן צורות רבות של אנרגיה, כולל חום, חשמל, כימיקלים, גרעין ועוד. אנרגיה מועברת בין מערכות שונות (מתן כוח למערכת אחת תוך שאיבת אנרגיה ממערכת אחרת).
לא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, רק להפוך אותה לצורות שונות. לדוגמה, לפחם יש הרבה אנרגיה פוטנציאלית שהופכת לאנרגיית חום בעת צריבה
שלב 3. הגדר את מושג המסה
המסה מוגדרת בדרך כלל כמות החומר באובייקט.
- יש גם הגדרה נוספת של מסה. ישנם מונחים "אנרגיית מנוחה" ו"מסה רלטיביסטית ". אנרגיית המנוחה היא מסה שהיא קבועה ואינה משתנה, לא משנה באיזו מסגרת התייחסות אתה משתמש. מצד שני. המסה הרלטיביסטית תלויה במהירות האובייקט. במשוואה E = mc2, m מתייחס לאנרגיית שאר. זה מאוד חשוב, כי זה אומר המסה שלך לא עולה גם אם אתה מגביר מהירות, בניגוד לדעה הרווחת.
- צריך להבין שמסה ומשקל הם שני דברים שונים. משקל הוא כוח הכבידה שמרגיש אובייקט, בעוד שמסה היא כמות החומר באובייקט. המסה משתנה רק אם החפץ משתנה פיזית, בעוד שהמשקל משתנה בהתאם לכובד סביבתו של האובייקט. המסה נמדדת בק"ג (ק"ג) ואילו המשקל נמדד בניוטון (N).
- בדומה לאנרגיה, לא ניתן ליצור או להרוס מסה, אך היא יכולה לשנות צורה. לדוגמה, קוביות קרח נמסות לנוזל, אך עדיין בעלות אותה מסה בשני סוגי הצורות.
שלב 4. להבין שמסה ואנרגיה שווים
משוואה זו קובעת שמסה ואנרגיה שוות ערך, ומספרת כמה אנרגיה מכילה כמות מסה נתונה. ביסודו של דבר, משוואה זו מסבירה שמסה קטנה למעשה מלאה באנרגיה גדולה.
חלק 2 מתוך 2: יישום משוואות בעולם האמיתי
שלב 1. להבין מאיפה האנרגיה המשמשת מגיעה
רוב האנרגיה שאנו צורכים נובעת משריפת פחם וגז טבעי. הבעירה של חומרים אלה עושה שימוש באלקטרונים ערכיים (אלקטרונים לא זוגיים בקליפת האטומים החיצונית ביותר) ובקשרים הנוצרים עם יסודות אחרים. כאשר מוסיפים חום, קשרים אלה נשברים והאנרגיה המשתחררת משמשת כמקור כוח.
השגת אנרגיה באמצעות שיטה זו הינה מאוד לא יעילה ופוגעת בסביבה
שלב 2. החל את המשוואות של איינשטיין כדי להפוך את המרת האנרגיה ליעילה יותר
E = mc2אומר לנו שיש יותר אנרגיה בגרעין האטום מאשר באלקטרונים הערכיות. האנרגיה המשתחררת מביקוע האטומי גבוהה בהרבה מזו של שבירת קשרים אלקטרונים.
כוח גרעיני מבוסס על עיקרון זה. כורים גרעיניים גורמים לביקוע אטומי ולוכדים כמויות גדולות של אנרגיה המשתחררת
שלב 3. גלה את הטכנולוגיות שנוצרו על ידי E = mc2.
E = mc2 אפשר יצירת טכנולוגיות חדשות ומרגשות רבות, ביניהן הפכנו לצרכים העיקריים שלנו:
- סריקת PET משתמשת ברדיואקטיביות כדי לראות מה יש בגוף.
- משוואה זו מאפשרת פיתוח של תקשורת עם לוויינים ורובר.
- תיארוך פחמימנים משתמש בפירוק רדיואקטיבי המבוסס על משוואה זו כדי לקבוע את גילם של אובייקטים עתיקים.
- אנרגיה גרעינית מספקת מקור אנרגיה נקי ויעיל יותר לחברה שלנו.
