¿Cómo la masa en reposo se convierte en energía?

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

¿Por qué solo un pequeño porcentaje de la masa en reposo se convierte en energía [incluso para la fusión]?

Es porque el universo es muy estricto con respecto a 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 observan tan estrictamente en algunos casos, y menos en otros, es algo que se observa experimentalmente. Pero es bueno que existan estas reglas de conservación, de lo contrario, podría decirse que no estaríamos aquí hablando de ellas. En cambio, el universo sería, en el mejor de los casos, nada más que una enorme bola de energía libre sin estructura.

Estas leyes de conservación suelen expresarse como pares de propiedades que se anulan entre sí. Sin embargo, cada una de estas propiedades emparejadas de forma aislada es extremadamente estable y no puede simplemente "deshacerse" o eliminarse de nuestro universo. Los ejemplos incluyen: carga eléctrica, para la cual puede crear cantidades iguales de carga positiva y negativa juntas , pero nunca de forma aislada; momento lineal, para el cual Newton identificó un emparejamiento de conservación al señalar que "para cada reacción hay una reacción igual y opuesta; y momento angular, donde ocurre un ejemplo de emparejamiento si intenta girar demasiado rápido mientras está sentado en un asiento giratorio, lo que puede hacer que el asiento gire en la dirección opuesta a la que pretendía.

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 desafortunadamente no están expresadas de una manera que sea fácil de entender .

No obstante, intentaré usar una analogía geométrica algo arriesgada para explicar el impacto neto de las estructuras matemáticas conservadas del modelo estándar. Tome una varilla corta y enrolle algunos bucles de alambre alrededor de ella en forma de hélice, fijando los extremos para que no se deslicen. La estructura resultante es para zurdos o para diestros, dependiendo de cómo enrollaste el cable. Tenga en cuenta también que, aparte de desenrollarlo, la dirección de enrollado (ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha) del cable se ha convertido en una característica permanente de lo que creó, en el sentido de que no puede quitarlo excepto desenrollándolo explícitamente.

Ahora coloque dos varillas de este tipo extremo con extremo, una con una bobina a la izquierda y la otra con una a la derecha, soldando los extremos de los cables donde se tocan. Ahora tiene una situación bastante diferente, ya que si tira con fuerza de los extremos de este nuevo carrete combinado, las dos bobinas se cancelarán y el alambre se enderezará . Sus dos "estructuras" (enrollamiento izquierdo y derecho) se han cancelado entre sí.

Lamentablemente, no encontrará estructuras tan simples dentro del Modelo Estándar. Sin embargo, podría decirse que una idea similar también se aplica allí, aunque de una manera más abstracta.

Es decir, una partícula de materia ordinaria en el modelo estándar también está "atrapada" en una estructura abstracta que no se puede deshacer sin obtener primero acceso a una estructura de "imagen especular" en una partícula similar. Al igual que la bobina de alambre alrededor de una barra, esta propiedad estructural abstracta de cada partícula se conserva mientras las partículas permanezcan aisladas entre sí. Pero cuando tales partículas que cancelan la estructura se encuentran, el resto de la masa de ambas puede liberarse y la ecuación$E=mc^2$pasa a ser plenamente aplicable.

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

¿Cómo se convierte la masa en reposo de un objeto en energía? Este artículo explica la respuesta. No lo resumí porque básicamente tendría que citar porciones gigantes del artículo. Sí, involucra 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 solo un pequeño porcentaje de la masa en reposo se convierte en energía? ¿Por qué no todo? ¿Qué determina cuánta masa en reposo se convierte 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 requerida para desarmar un núcleo en el mismo número de protones y neutrones libres y libres de los que está compuesto, de modo que los nucleones están lo suficientemente lejos/distantes entre sí para que la fuerza nuclear ya no pueda hacer que las partículas interactúen” citado de Wikipedia .

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

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$E = mc^2$¿esta diciendo? En cualquier momento, la inercia (masa) de un objeto es igual a su potencial más las energías cinéticas divididas por$c^2$.

¿No sugiere esto que la masa en reposo puede verse como algún tipo de energía potencial?

La masa en reposo es energía. La mayor parte de la masa en el universo proviene de las interacciones de los quarks con el campo de gluones (energías cinética y potencial), algo proviene de las interacciones de las partículas elementales con el campo de Higgs (energía estática), etc. Todas estas cosas dan inercia a los objetos. Sin embargo, la energía potencial eléctrica también da inercia a los objetos. También lo hace la energía térmica y la energía cinética regular. Simplemente no hay tanto 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 la inercia).

Entonces, lo que llamas masa que se convierte en energía es en realidad energía del campo de gluones que se convierte en energía térmica, luminosa y sonora. De cualquier manera, sigue siendo masa, ya que toda energía es masa. O una mejor manera de expresarlo es que la masa es una propiedad de la energía. Preguntar cómo la masa se convierte en energía es como preguntar cómo el verdor de una bolsita de té se convierte en té. Era té en primer lugar, y todavía está verde.

La masa relativista se "adquiere" cuando un objeto se mueve a velocidades comparables a la velocidad 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 energías cinéticas, pero solo incluye 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 están moviendo uno hacia el otro, existe un movimiento relativo sin importar el marco de referencia que elija, 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, es molesto que dependa del marco de referencia, por lo que generalmente usamos la masa en reposo.

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

Antes de considerar cómo la masa en reposo de un objeto se convierte en energía, se debe considerar qué es la masa relativista. La masa relativista se expresa mediante la ecuación (1) y la ecuación (2). La masa (M) está formada por 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) se mueve, 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.

La figura 1 indica que la masa (M) se mueve con una velocidad representativa V en el marco inercial estándar-a. P(=MV) es también un impulso representativo. Cuando se observa M desde el cuadro-b, Mo está en reposo en el cuadro-b. La ecuación (3) indica que Mo está hecho de muchas 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 impulso total es cero, aunque el impulso interno (pi = mi'vi') no es 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 restante. Según la ecuación (3), si se reduce la velocidad individual v', también se reduce Mo. 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 restante desapareciera del Mo. No solo la reacción nuclear sino también la reacción química también convierte una parte de la masa en energía. Siempre que la masa en reposo tenga un impulso interno, hay espacio para liberar energía cinética.

vi' del material ordinario es mucho más pequeño que la 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 debe convertirse en energía. La ecuación (4), (5), (6), (7) indica que la repetición de la descomposición hace posible convertir la masa en reposo (Mo) en energía. Finalmente, el material podría convertirse en energía fotónica.

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

Vea el detalle de la explicación en el sitio web. miyajiphysics.info