Am întâlnit două legi de conservare până acum: a masei şi a energiei. Dacă, în fapt, conservarea energiei este o consecinţă a simetriei, există o raţiune mai profundă pentru conservarea masei? De fapt, nici măcar nu sunt legi de conservare separate.
CUPRINS
1.7 Echivalenţa masei şi a energiei (Masa-energia)
aa / Titlu al unui articol din New York Times de pe 10 noiembrie, 1919, descriind observaţiile discutate în exemplul 13 (vezi mai jos)
Albert Einstein a descoperit, ca o consecinţă a teoriei sale a relativităţii, că masa şi energia sunt echivalente şi că nu se conservă individual – una poate fi transformată în cealaltă. Imaginaţi-vă că un magician mişcă din baghetă şi schimbă un bol de pământ într-un bol de salată. Aţi fi impresionat, deoarece v-aţi aştepta ca şi pământul, şi salata să se supună legii de conservare. Niciuna nu ar trebui să poată fi făcută să dispară sau să apară de nicăieri. Cu toate acestea, există procese ce pot să transforme una în cealaltă. Un fermier transformă pământul în salată, iar un morman de bălegar transformă salata în pământ. La cel mai fundamental nivel, salata şi pământul nu sunt de fapt de loc diferite; sunt doar colecţii de atomi de acelaşi tip – carbon, hidrogen şi aşa mai departe.
Nu vom studia relativitatea în detaliu în această carte, dar echivalenţa masă-energie este o implicaţie inevitabilă a acelei teorii şi este singura parte de care majoritatea oamenilor au auzit, prin faimoasa ecuaţie E=mc2. Această ecuaţie indică ce energie echivalează cu ce masă: factorul de conversie este pătratul vitezei luminii, c. De vreme ce c este un număr mare, se obţine un număr cu adevărat mare când îl înmulţiţi cu el însuşi pentru a obţine c2. Aceasta însemnă că masa echivalează o cantitate extrem de mare de energie.
Exemplul 13: Gravitaţia deviază lumina
Gravitaţia este o atracţie universală între lucrurile ce au o masă şi având în vedere faptul că energia este o undă de lumină ce este echivalentă cu o masă infimă, este de aşteptat ca lumina să fie afectată de gravitaţie, chiar dacă efectul ar trebui să fie foarte mic. Relativitatea a fost confirmată experimental pentru întâia dată în 1919 când stelele din apropierea Soarelui au fost observate deviind puţin de la poziţia lor obişnuită în timpul unei eclipse solare (când nu este eclipsă, strălucirea soarelui împiedică observarea stelelor). Lumina stelelor fusese deviată de gravitaţia Soarelui. Figura z reprezintă un negativ al unei poze, iar cercul strălucitor este de fapt faţa întunecată a Lunii, iar partea întunecată este corona Soarelui. Stelele, marcate prin linii deasupra şi dedesubt atunci, se aflau în poziţii puţin diferite decât cele obişnuite.
z / exemplul 13
Exemplul 14: Găurile negre
O stea cu o gravitaţie suficient de puternică poate împiedica lumina să o părăsească. Un număr considerabil de găuri negre a fost descoperit prin intermediul forţelor gravitaţionale ce afectau stelele sau norii de gaz şi nisip din vecinătatea acestora.
Din cauza faptului că masa şi energia sunt precum două feţe diferite ale aceleiaşi monede, putem vorbi despre masă-energie, o singură cantitate ce se conservă, cantitate aflată prin adăugarea întregii mase şi a întregii energii, cu factorul de conversie: E=mc2.
Exemplul 15: Un cui ce rugineşte
• Un cui de fier este lăsat într-o cană cu apă până se transformă complet în rugină. Energia eliberată este de aproximativ 500.000 de jouli. În teorie, ar putea o schimbare a masei fi înregistrată dacă s-ar utiliza o scală suficient de precisă?
• Energia va fi sub formă de căldură ce va fi absorbită de mediu. Masa-energie totală a cănii, apei şi a fierului va fi într-adevăr micşorată cu 500.000 de jouli. Dacă ar fi perfect izolată, nu ar exista nicio schimbare, deoarece căldura ar fi închisă în cană. Viteza luminii în unităţi metrice este c=3x108 m/s, aşadar transformând în unităţi de masă, avem
Sistemul metric se bazează pe metru, kilogram şi secundă. Joulul se încadrează şi el în sistem, rezultatul fiind deci în kilograme. Variaţia de masă este prea mică pentru a fi măsurată prin tehnici practice. Acest lucru se datorează faptului că pătratul vitezei luminii este un număr foarte mare în unităţi metrice.
