Středa 26. února 2020, svátek má Dorota
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Středa 26. února 2020 Dorota

Co skutečně znamená rovnice E=mc^2

22. 10. 2018 9:44:24
Je to nejznámější fyzikální vzorec na světě a obvykle je chápán tak, že lze hmotu změnit v energii a naopak. Toto chápání je sice do určité míry správné, je ale poněkud povrchní, a správné vysvětlení je podstatně jiné.

Nejdřív tedy uveďme nejrozšířenější výklad, který je, žel, rozšířený i mezi fyziky, a slyšel jsem ho od nejednoho z nich, třeba i od fyzika ze špičkového Planckova ústavu v Německu.. Pokud pochází od fyziků, nelze veřejnosti vyčítat, že ho používá. Jde vlastně o jevové pojetí věci, které se asi nejsnadněji ukáže na výbuchu atomové bomby. Tam je při běžném pohledu vidět, že je to velký kus hmoty (bomba), který se nehýbe, tedy není v něm patrný žádný pohyb. Po výbuchu se ale opravdu hýbe úplně všechno, takže první dojem je, že hmota bez pohybu se náhle změnila v prudký pohyb, hmota se změnila v energii. Část této energie je dokonce v podobě elektromagnetické záření (třeba světla), které, jak fyzika tvrdí, nemá hmotnost.

Zcela extrémní je tento proces u anihilace antihmoty. Když se potká stejné množství hmoty se svým "zrcadlovým" protějškem, antihmotou téhož množství, nezbude z obou vůbec nic kromě (elektromagnetického) záření. Tedy se veškerá tato hmota proměnila v energii. Tak to opravdu na první pohled vypadá.

Přejděme ale k hlubšímu a správnějšímu výkladu. Nejdříve si všimněme, že v rovnici E=mc^2 není nikde žádná hmota, ale je tam jen jedna její vlastnost, zvaná hmotnost, značená m. Tady vám dnes fyzici potvrdí, že hmotou se dnes myslí jak látka, tak záření, nebo třeba jen pole, třeba gravitační. Pojem hmota v dnešním pojetí neoznačuje jen něco nutně hmatatelného. To, co je složena z atomů a můžeme si na to sáhnout, se dnes nazývá látka a je to jen jedna z podob hmoty. Historicky se pojem hmoty používal skutečně pro označení hmatatelné látky, ale to už je opravdu je výklad minulých století.

Dále, když se podíváme na elektromagnetické záření, všimneme si, že jeho fotony mají hmotnost, tedy to není žádná čistá energie. Jen to, co nemají, je tzv. klidová hmotnost, tedy hmotnost, jakou by měly, kdyby byly v klidu (viz Wiki). Jenže to je zcela iluzorní představa, neboť fotony nemohou být nikdy v klidu, to by neexistovaly, ale musí být stále v pohybu. Informace, že v klidu by bývaly neměly hmotnost, je tak zcela bezcenná. Ano, veškerá jejich hmotnost je pohybová a mají právě tolik hmotnosti, kolik podle vzorce E=mc^2 odpovídá jejich energii.

Tento vzorec tedy říká, že má-li záření energii, nutně nese současně i příslušnou dávku hmotnosti. Jinak by se paprsky ani nezakřivovaly kolem Slunce (což byl zásadní test, kterým byla poprvé ověřena Einsteinova obecná teorie relativity) nebo kolem jiných gravitujících těles. V podstatě by ani neexistovaly černé díry, protože by fotony z černých děr mohly, nemaje hmotnost, unikat. (Samozřejmě lze veškerá zakřivení drah fotonů vykládat jako zakřivení prostoročasu a pak zdánlivě není potřeba uvažovat hmotnost fotonů, a zdánlivě stačí jen říci, že fotony sledují zakřivený prostoročas. Jenže kdyby fotony neměly hmotnost, neexistovaly by v našem prostoročase a zakřivení prostoročasu by prostě "neposlouchaly".)

Jak je ale pak možné, že u takové atomové bomby žádný pohyb, žádnou energii nevidíme, že je to jen kus masy. Kde je ta energie? Už u chemického výbuchu si dokážeme představit, že ta energie tam někde byla v jiné formě, že byla v chemických sloučeninách a že nevznikla z ničeho, či z něčeho jiného než z energie. To by ostatně porušovalo zákon zachování energie.

V ne úplně ideální analogii si u záření můžeme představit, že fotony se mohou věčně odrážet například mezi dvěma paralelními zrcadly. Nebo když uděláme dutou kouli, která je uvnitř zcela pokrytá zrcadlem, mohou se v ní fotony odrážet věčně. Takováto koule tedy bude těžší o hmotnost fotonů, které jsou uvnitř. Stačí einsteinovský myšlenkový pokus, kdy si představíme, že stěny jsou nehmotné a pak nám vyjde, že (klidová) hmotnost takové koule sestává z pohybové hmotnosti fotonů. Nebo si podobně můžeme představit, že fotony "běhají" do kruhu, tedy přestože letí rychlostí c, nějakým způsobem současně zůstávají na jednom místě.

Tyto metafory jsou sice názorné, ale fyzikálně jsou jednak nerealizovatelné, jednak také nejsou zcela korektní. Popišme tedy, jak tomu skutečně je, i když to bude zase trochu nepředstavitelné. Představa vychází se speciální teorie relativity, která říká, že i to, co je v naprostém klidu, se stále pohybuje rychlostí světla c, jenže se tak děje ve 4. dimenzi tzv. prostoročasu, tedy kolmo na náš prostor. Proto není takový pohyb v našem prostoru viditelný. (Kdybyste chtěli názorně pochopit čtyřrozměrný prostor, zkuste blog Pochopte čtyřrozměrný prostor za pár minut.) Právě tento pohyb rychlostí c ve 4.dimenzi je podstatou klidové hmotnosti veškeré látky, kterou vidíme kolem.

Hmotnost je tedy vždy projevem pohybu rychlostí světla. Když je tato rychlost c ve 4.rozměru, jeví se jako klidová hmotnost a forma hmota, která ji má, má podobu látky nebo elementárních částic. Když se naopak veškerý tento pohyb rychlostí c děje v našem prostoru, je to (především) forma hmoty zvaná elektromagnetické záření. Takový pohyb "vidíme", můžeme ho jako trojrozměrné bytosti zaregistrovat v našem 3D prostoru. Anihilace antihmoty pak není nic jiného než převedení pohybu rychlostí světla z neviditelné 4.dimenze do viditelného pohybu rychlostí světla v našem 3D prostoru. Jak množství energie, tak množství hmotnosti se při tomto procesu nemění, je stále spojeno vztahem E=mc^2, jen se skrytý pohyb převádí na pohyb viditelný. Hmotnost a energie jsou dvě strany jedné mince a mince nemůže mít jen jednu stranu.

(Pro upřesnění uveďme, že neexistují jen takto čisté "póly", ale když se nějaký objekt s klidovou hmotností pohybuje v našem prostoru nenulovou rychlostí, je vlastně část jeho pohybu ve 4.dimenzi převedena do našeho prostoru, čímž je "odebrána" ze 4D, což je pak podstatou dilatace času.)

Autor: Jan Fikáček | pondělí 22.10.2018 9:44 | karma článku: 45.00 | přečteno: 9430x

Další články blogera

Jan Fikáček

Je možný warpový pohon ze StarTreku? Je možné překonat rychlost světla?

StarTrek používal termín warpový pohon dávno předtím, než tento pohon jeho autor, Miguel Alcubierre, v roce 1994 vymyslel. Dokonce Miguel použil pro svůj pohon slovo warp proto, aby uctil tento seriál. Ale je warp vůbec možný?

25.2.2020 v 9:07 | Karma článku: 31.17 | Přečteno: 1190 | Diskuse

Jan Fikáček

Co bylo před multivesmírem, před multi-multivesmírem, před multi-multi-multivesmírem......

Řešíme-li otázku, co bylo před velkým třeskem, dojdeme asi k názoru, že to byl bůh nebo multivesmír. Hned se pak ale musíme zeptat, co bylo před nimi! A mohli bychom v řadě "před" asi pokračovat do nekonečna. Opravdu mohli?

18.2.2020 v 9:15 | Karma článku: 35.15 | Přečteno: 1410 | Diskuse

Jan Fikáček

Co bylo před velkým třeskem. Nic?

Bonmot tvrdí, že na všechny složité otázky existuje jednoduchá odpověď... pochopitelně špatná. Jednou z takových je, že žádné předtím u velkého třesku nebylo, neboť nebyl čas. Prostých mylných odpovědí je u této otázky víc.

11.2.2020 v 10:05 | Karma článku: 42.73 | Přečteno: 2977 | Diskuse

Jan Fikáček

Je kvantová psychologie (pa)věda? Je neurčitost při hodu mincí kvantová?

Byl jsem pozván na jednu lékařskou konferenci, abych se pokusil dát argumenty pro či proti kvantové psychologii a kvantové medicíně. Začal jsem proto číst články na toto téma a občas tu budu informovat o svých poznatcích.

2.2.2020 v 18:20 | Karma článku: 44.54 | Přečteno: 2954 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Fikáček

Je možný warpový pohon ze StarTreku? Je možné překonat rychlost světla?

StarTrek používal termín warpový pohon dávno předtím, než tento pohon jeho autor, Miguel Alcubierre, v roce 1994 vymyslel. Dokonce Miguel použil pro svůj pohon slovo warp proto, aby uctil tento seriál. Ale je warp vůbec možný?

25.2.2020 v 9:07 | Karma článku: 31.17 | Přečteno: 1190 | Diskuse

Dana Tenzler

Chemie v kuchyni - jaký olej používat na smažení?

Je lepší řepkový nebo olivový olej? Proč má přepálený olej štiplavý zápach a co má společného se svíčkou? (délka blogu 3 min.)

24.2.2020 v 8:00 | Karma článku: 31.81 | Přečteno: 1421 | Diskuse

Jan Tomášek

Cesty elektrické energie 4

Z poslední transformátorovny či rozvodny elektřiny následuje už jen cesta ke spotřebiteli. Tím například může být například přímo občan - respektive bydliště - občanská vybavenost či služby, nebo výroba.

22.2.2020 v 16:37 | Karma článku: 13.01 | Přečteno: 405 | Diskuse

Lubomír Stejskal

Objev, který stojí za pozornost

Archeologickým hitem těchto dnů je informace o nalezení starověkého kananejského chrámu v lokalitě Lakíš (též Lachiš, v kralické Bibli Lachis). Jak právě naznačeno, zmíněno je toto město v Bibli. Ale nejen tam.

20.2.2020 v 8:00 | Karma článku: 18.98 | Přečteno: 513 | Diskuse

Dana Tenzler

Falkirk Wheel - Archimedův zákon v prax

Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno vztlakovou silou rovnající se tíze kapaliny tělesem vytlačené. Nudné? Ve skotském městě Falkirk ani náhodou. (délka blogu 5 min.)

20.2.2020 v 8:00 | Karma článku: 31.26 | Přečteno: 1018 | Diskuse
Počet článků 175 Celková karma 41.77 Průměrná čtenost 2827

Vystudoval chemii, kybernetiku a teorii systémů (interdisciplinární studia) a považuje se za obecně uvažujícího člověka někde na pomezí mezi přírodními vědami a filosofií. Roky vyučoval filosofii fyziky a virtuální reality na PřF a MFF UK v Praze (a v té době odmítal tituly jako Doc. nebo CSc.). Nyní PhD student filosofie teoretické fyziky. Pracoval jako evropský expert pro "Future and Emerging Technologies". V letech 1991-7 byl předsedou společnosti Mensa ČRVíce informací zde.

Chcete-li sledovat diskuse v jeho skupině, připojte se do Vědecké filosofie & Fyziky (nejen). jan@fikacek.cz
 
Upozornění: Toto je popularizační blog pro veřejnost, neberte ho tedy jako vědeckou dizertační práci. :-) Autor má zde uváděné základní myšlenky většinou propracované do hloubky, do blogu pro veřejnost však není vhodné uvádět příliš složité formulace. Autora ale baví komunikovat s veřejností, proto tato forma s někdy expresivním vyjadřováním, přehnané nadpisy, které k popularizaci asi patří. Některé blogy jsou však čistá věda, ba dokonce mainstream, některé (asi většina) jsou kritické úvahy snažící se formulovat nové nápady, některé jsou opravdu jen sci-fi nebo spíše sci-sci-fi.

P.S.: Komentáře, které budou řešit autora, ne (jen) obsah blogu, budou bez varování smazány. :-) 

Vždycky jsem byla obdařenější prsatice, směje se Lucie Benešová

Chtěla domek na Sicílii, ale nakonec si pořídila hezké místo pro stavbu v Jizerských horách. „Mám plno plánů, pořád...

Prodáváte rasistické zákusky, tvrdí zákazníci. Tradiční, brání se výrobce

Čokoládová pusinka, zákusek populární hlavně během německých únorových karnevalů, narazila na odpor kvůli svému...

Hospody, kolo a památky. Orlando Bloom si v Česku užívá se psem i snoubenkou

Orlando Bloom (43) natáčí v české metropoli seriál Carnival Row. Kromě herectví se tu nejčastěji věnuje svému psovi,...

Všichni jste krásní, říká modelka. Předávání cen moderovala zcela nahá

Modelka Ibi Støvingová (45), která moderuje dánskou verzi americké show Naked Attraction, vyvolala pozdvižení...

I po více než osmi letech od vydání je Skyrim králem erotických modifikací

Díky podpoře uživatelských modifikací se kolem Skyrimu vytvořila silná komunita, která svoji modlu neustále vylepšuje....