Ekuacioni magjik/E = mc2

Çfarë nuk ka prekur në këtë botën tonë ekuacioni i Albert Einsteinit?


Në nivelin më bazik, ekuacioni thotë se energjia dhe masa (materia) janë të këmbyeshme; ato janë forma të ndryshme të së njëjtës gjë. Në kushtet e duhura, energjia mund të shndërrohet në materie dhe e anasjellta. Në qeniet njerëzore nuk i shohim kështu - si mundet që, për shembull, një rreze drite dhe një kokër arrë të jenë forma të ndryshme të së njëjtës gjë? - por natyra e sheh pikërisht kështu.

Përse do të duhej të shumëzonim masën e asaj arre me shpejtësinë e dritës për të përcaktuar se sa energji ndodhet brenda saj? Arsyeja është se kurdoherë që konverton një pjesë të arrës apo çdo lloj materie tjetër në energji të pastër, energjia që rezulton është saktësisht e përcaktuar se lëviz me shpejtësinë e dritës. Energjia e pastër është radiacion elektromagnetik - qoftë si rreze X apo çdo lloj forme tjetër - dhe radiacioni elektromagnetik udhëton me një shpejtësi konstante prej 670.000.000 milje në orë.

Atëherë, përse duhet ngritur në katror shpejtësia e dritës? Ka të bëjë me natyrë e energjisë. Kur diçka lëviz katër herë më shpejt se sa diçka tjetër, nuk ka katër herë më shumë energji, por 16 herë - me fjalë të tjera, shifra ngrihet në katror. Dhe për arsye, shpejtësia e dritës e ngritur në katror është një shifër shumë e madhe, atëherë sasia e energjisë që ndodhet qoftë edhe në masat më të vockëla është vërtetë e paimagjinueshme.

Sigurisht, të kuptosh intuitivisht se energjia dhe materia janë në thelb një si dhe përse dhe sa energji mund të përfshihet qoftë edhe në copëzat më të vogla të materies, kjo është tjetër gjë. Dhe E=mc2 që fokusohet në materien në prehje është një version i thjeshtëzuar i një ekuacioni më të ndërlikuar të Einsteinit, i cili merr gjithashtu parasysh materien në lëvizje.

E = mc2 në miniaturë

Ndoshta trashëgimia më e zgjatur e ekuacionit është se ofron çelësin për të kuptuar proceset natyrorë më bazikë të universit, që nga radioaktiviteti mikroskopik, deri tek vetë big bangu.

Radioaktiviteti është E=mc2 në miniaturë. Einsteini vetë kish dyshime për këtë edhe teksa ndërtonte ekuacionin. Në dokumentin e 1905 me anë të të cilit ai i prezantonte botës E=mc2, ai thoshte se mund të jetë e mundur të testohet teoria e tij duke përdorur radium, një 30 gramësh prej të cilit, siç kishte zbuluar jo shumë kohë më parë Marie Curie, lëshon vazhdimisht 4000 kalori nxehtësi në orë. Einstein besonte se radiumi konvertonte vazhdimisht pjesë të masës së vet në energji pikërisht siç specifikonte ekuacioni i tij. Më pas, doli se kish të drejtë.

Sot ne dimë që radioaktiviteti është një karakteristikë e disa elementëve jo të qëndrueshëm, si uraniumi apo izotopet si kaboni 14, i thërrmijave që lëshojnë krejt spontanisht teksa bërthama e tyre atomike shpërbëhet. Materia pëson një metamorfozë drejt energjisë, në përputhje direkte me operacionin e Einstein.

Dhe avantazhet e kësaj teorie ne i shohim sot në shumë teknologji. Skanet PET dhe mënyra të ngjashme diagnostikimi që përdoren në spitale, për shembull, shfrytëzojnë pikërisht E=mc2. "Sa herë që përdor një substancë radioaktive për të kuptuar proceset që ndodhin në trupin e njeriut, je duke i bërë homazh direkt zbulimit të madh të Einsteinit", thotë Sylvester James Gates, një fizikan në Universitetin e Maryland. Shumë pajisje që përdoren në jetën e përditshme, që nga detektorët e tymit të duhanit deri tek shenjat e daljes kanë gjithashtu elementë të rëndësishëm të transformimeve që burojnë prej ekuacionit të famshëm. Gjetja e kohës me radiokarbon, që arkeologët e përdorin për të zbuluar jetëgjatësinë e materialeve të lashtë është një tjetër zbatim i formulës. "Produktet e rrënuar që shohim në procesin e gjetjes së jetëgjatësisë me radiokarbon arrijmë që t'i kuptojmë përmes deduksionit se energjia përftohet direkt nga masa e munguar që shihet tek E=mc2", thotë Gates.

Zbatime qiellorë

Teknologjitë e hapësirës i detyrohen gjithashtu shumë ekuacionit. Shpërbërje të panumërta të E=mc2 nga elementë radioaktivë si plutoni ofrojnë gjithçka, që nga energjia për satelitët e telekomunikimit deri tek nxehtësia që nevojitet për të mbajtur në funksionim satelitët e dërguar në Mars, të cilët marrin të dhëna gjatë dimrave të akullt të planetit të kuq. Udhëtimi hapësinor në të ardhmen e largët mund të bazohet gjithashtu në energji të tilla që burojnë nga radioaktiviteti. Fotonet që vijnë prej diellit dhe yje të tjerë mbajnë energji që në vakuumin e hapësirës mund të shfrytëzohen teorikisht për të energjizuar një anije kozmike. "Në të ardhmen e largët", thotë David Hogg, një kozmolog në Universitetin e Nju Jorkut, "nëse imagjinojmë se do të jemi në gjendje që të udhëtojmë drejt yjeve të largët me anije kozmike që e marrin energjinë prej trysnisë së radiacinit - nëse kjo do të ndodhë ndonjëherë, atëherë do të ishte me të vërtetë një trashëgimi madhështore e kinematikës së Einsteinit".

Kinematika është studimi i lëvizjes pa patur lidhje me masën apo forcën, dhe që merr gjithashtu parasysh materien në lëvizje. "Ekuacioni i tij (E2 = m2c4 + p2c2) më i gjerë luanjnë rol shumë të rëndësishëm në të kuptuarit e mënyrës si funksionon drita dhe se si energjia dhe drita mund të transferohen dhe transformohen nga njëri vend në tjetrin", thotë Gates. "Kështu që, nëse e mendoni në një kontekst më të gjerë, pjesën e ekuacionit që nuk është në sytë e publikut, atëherë shohim se ka një vlerë edhe më madhore për shkencën".

Një zbatim i këtij ekuacioni të zgjeruar, thotë Gates, është detektori gjigand i neutrinove që po ndërtohet në Antarktidë. I zhytur thellë në akull, ai do të pikasë dritën e frikshme blu, e njohur si radiacioni Cherenkov, që lëshohet prej neutrinove. Neutrinot janë thërrmija nënatomike, të cilave u mungon kaq shumë masa sa që kalojnë në Tokë pa u vënë re dhe pa u dëmtuar. Studimi i dritës së tyre i ndihmon kozmologët që të kuptojnë më mirë këto thërrmija misterioze dhe burimet e tyre të largët, që mund të përfshijnë vrimat e zeza. Kështu që, thotë Gates "si pjesë e trashëgimisë së ekuacionit, ne do të përdorim akullin e Antarktidës për të parë neutrinot dhe objekte të tjerë që vijnë nga hapësira. Dhe pa ditur marrëdhënien mes energjisë, momentumit dhe masës, kjo do të ishte e pamendueshme për t'u realizuar. Në fakt është pikërisht ky ekuacion që bëri shkencëtarët të kuptojnë se neutrinot vërtetë ekzistojnë".

Një botë bërthamore

Ekuacioni i Einsteinit përshkruan gjithashtu në mënyrë perfekte se çfarë ndodh kur ne prodhojmë energji bërthamore. Siç thotë Arlin Crotts, një profesor i astronomisë në Universitetin e Columbias, "gjithë kuptimi ynë i proceseve bërthamor do të ish krejt i humbur pa këtë ekuacion". Reaktorët e zbërthimit të atomit në impiantet bërthamorë prodhojnë energji elektrike duke çliruar energjinë që ndodhet e mbyllur në materialet e zbërthyeshëm. Fuzioni siguron gjithashtu energji nga masa pikërisht siç e tregon ekuacioni. Kur dy atome hidrogjeni bashkëshkrihen për të formuar një atom heliumi, masa e heliumit rezultues është më e paktë se e dy hidrogjeneve, ndërkohë që masa e munguar manifestohet si energji e fuzionit. Edhe armët bërthamore funksionojnë sipas parimit të përcaktuar prej ekuacionit. Në të vërtetë, reja në formë kërpudhe e një shpërthimi bërthamor është pikërisht E=mc2 i bërë i dukshëm.

"Një prej trashëgimive të tij është shumë sociologjike: thjeshtë është në gjendje të mbërthejë imagjinatën e kujtdo".

Ekuacioni krijoi në fakt një degë krejt të re të shkencës - fizikën e thërrmijave me energji të lartë. Laboratorët që punojnë në këtë fushë punojnë me shndërrme të E=mc2. Në fakt, një projektim i duhur i akseleratorëve të thërrmijave si dhe një analizë e përplasjeve të shpejtësisë së lartë që ndodhin brenda tyre, do të ishte i pamundur pa një kuptim të plotë të ekuacionit. Brenda akseleratorëve, thërrmijat që përplasen janë vazhdimisht në zhdukje, duke lënë pas vetëm energji dhe porcionet e energjisë shndërrohen vazhdimisht në thërrmija të reja. "Shkencëtarët i kanë përdorur në mënyrë të përsëritur kuptimin e ekuacionit për të shndërruar E në forma të reja të m, që nuk janë parë kurrë më parë", thotë Gates. "Një prej produkteve të shkencës në këtë shekull mund të jetë fare mirë nëse E përfshin edhe super E-në dhe m përfshin super m-në - forma të reja energjie dhe materie të quajtur "superpartnerë". Një kuptim i ekuivalencës mes masës dhe energjisë bëhet gjithashtu më i dobishëm kur studion antimaterien. Kur një thërrmijë takon antithërrmijën e vet, ato asgjësojnë njëra-tjetrën duke lënë vetëm një sasi energjie; po kështu, një foton me energji të lartë mund të shndërrohet krejt papritur në një çift thërrmijë-antithërrmijë. Në tërësi, thotë Hogg, "E=mc2 ka qenë shumë i rëndësishëm në diagnostikimin dhe kuptimin e cilësive të antimateries".

Formula e Einstein ndihmon gjithashtu për të kuptuar nxehtësinë në koren e planetit tonë, që mbahet i ngrohtë prej një barrazhi të qëndrueshëm konvertimesh të e=mc2 që ndodhin brenda elementëve të paqëndrueshëm radioaktivë si uraniumi dhe toriumi. "Kur këta dobësohen, një pjesë e masës humbet dhe krijohet pak energji dhe kjo gjë e mban të ngrohtë koren e tokës", thotë John Ridgen, një fizikan në Universitetin Uashington në St. Louis dhe autor i librit: "Einstein 1905: standarti i madhështisë". "Kështu që temperatura e pjesës së jashtme të tokës, e materies së kores është drejtpërdrejtë e lidhur me E=mc2".

Një konstante kozmologjike

Një proces i ngjashëm ndodh shumë larg Tokës, brenda yjeve. Ngrohtësia që ne ndiejmë prej Diellit, për shembull, është rezultat i energjisë që prodhohet teksa hidrogjeni që ndodhet në thellësi të yllit tonë shkrin për të formuar heliumin. Dhe yjet nuk ndalen këtu. Kur atyre u shteron hidrogjeni i tyre, nisin të djegin lëndë të tjera për të krijuar elementë të rinj, të cilët nxirren në univers kur yjet më pas shpërthejnë. 'Karboni, oksigjeni, azoti dhe hidrogjeni që përbëjnë organizmat e gjallë gatuhen në brendësi të një ylli", thotë Ridgen. "Duke patur parasysh atë që ndodh në yje, mund të thuhet se për ekzistencën tonë i jemi borxhli E=mc2".

Ekuacioni i Einsteinit tregon edhe atë që ndodh në vrimat e zeza, që mund të përmbajnë masën e miliona yjeve. Këtu, E=mc2 ndodh në një shkallë astronomike. "Në një proces bërthamor, zakonisht konverton diçka si një pjesë në njëmijë në energji, ndërkohë që kur bie në një vrimë të zezë, mund të konvertosh 20, 30 apo 40%", thotë Hogg. "Kështu që, nga pikëpamja e energjetikës së universit, këto vrima të zeza janë të rëndësishme, pasi janë konvertuese të mëdha të masës në prehje në energji".

Në shkallën më të madhe të mundshme - fillimin e universit - E=mc2 është i vetmi shpjegim i pranuar për atë çfarë po ndodhte. Në sekondat e para pas big bangut, energjia dhe materia shkuan para e pas rrëmujshëm në një përputhje të saktë me ekuacionin. "Përshkrimi se si u shpalos big bang do të kish qenë shumë, shumë i ndryshëm po të mos mundnim të ndërkonvertonim masën dhe energjinë", thotë Crotts. Po të mos ishte e=mc2, universi do të kish përfunduar me një koleksion krejt të ndryshëm thërrmijash nga ato që kemi sot. "Nuk jam i sigurtë se çfarë do të kishim, por mund të them me bindje se nuk do të ishim këtu", shton ai.

Aspekte të paprekshëm

Vlera e ekuacionit shtrihet në fusha përtej shkencës. David Hoggs e gjen shumë të dobishëm në mësimdhënie, për shembull. "Unë e përdor suhmë ekuacionin në mësim sepse është një ekuacion për të cilin të gjithë studentët kanë mësuar", thotë ai. "Kështu që, një prej dobive të tij është shumë sociologjike: thjeshtë mbërthen imagjinatën e gjithkujt". Ndihmon gjithashtu studentët të kujtojnë njësitë e energjisë. "Një xhaul është një kilogram metër katror për sekondë në katror dhe mënyra si mbahet mend kjo është E=mc2", thotë ai.

Arlin Crotts vë në dukje botën që ka hapur për ne ekuacioni i Einsteinit. "Ai nxorri në pah faktin se të gjithë llojete gjërave që ndodhen përreth nesh janë rezervuarë shumë të mëdhenj energjie, pothuajse përtej çdo imagjinate, ne na duhet vetëm të gjejmë mënyra për ta nxjerrë", thotë ai. "Dhe ky është një fakt i pabesueshëm". Për John Ridgen, ekuacioni dhe kërcimet e tjerëtë imagjinatës së Einsteinit zbuluan se si shkencëtarët mund të jenë po aq vizionarë sa artistët, shkrimtarët e të tjerë. "Ajo që bëri ka brenda kreativitetin e absalom, apo zambakëte Monet", thotë Ridgen.

Deri në kohën e Einsteinit, shkencëtarët zakonisht i shihnin gjërat, i rregjistronin dhe më pas gjenin një copëz matematikë që shpjegonte rezultatin. "Einstein e përmbysi procesin. Ai e nis me një copëz të bukur matematike që bazohet në disa kuptime shumë të thellë të mënyrës se si funksionon universi dhe më pas, duke u nisur nga kjo, bën parashikime për atë që duhet të ndodhë në botë. Eshtë një përmbysje mbresëlënëse e mënyrës si bëhet zakonisht shkenca. Dhe kjo është një prej të mirave të mëdha që ne kemi mësuar fuqinë e krijueshmërisë njerëzore në shkenca - apo siç vetë ka thënë Einsteini, "të njohim mendjen e Perëndisë"

Së fundi, influenca e ekuacionit, si në frontin shkencor ashtu edhe atë sociologjik, është në të vërtetë e vështirë të ndahet nga influenca e Einsteinit në tërësi - që ashtu sikurse E=mc2 buron energjinë prej diellit, nuk tregon asnjë shenjë zvogëlimi.