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: 44.74 | přečteno: 6930x

Další články blogera

Jan Fikáček

Padá pírko stejně rychle jako kus železa? Jak kde.

Když současně pustíme železnou kouli a pírko, dopadne koule dříve. Jeden nádherný a přímo geniálně prostý pokus odlišuje dva faktory, které tady působí. A může si jej vyzkoušet každý. Stačí mít doma dva skládací deštníky.

7.10.2019 v 9:07 | Karma článku: 33.78 | Přečteno: 1268 | Diskuse

Jan Fikáček

Proč v matematice nekonečno existuje a v realitě nikoliv

Vyjde-li v nějaké fyzikální rovnici nekonečno, a​ť už jsou to nekonečně malé rozměry, nekonečné síly nebo cokoliv jiného, fyzici ví, že tam dotyčná rovnice už neplatí. V realitě nekonečno zřejmě neexistuje. Ale co v matematice?

1.10.2019 v 9:08 | Karma článku: 40.50 | Přečteno: 2160 | Diskuse

Jan Fikáček

Kam směřuje(me) čas?

Chceme-li znázornit běh času, časovou osu, jak to uděláme? Většina lidí nakreslí šipku zleva doprava, jiní ale znázorní běh času opačně, někteří šipkou shora dolů. Zní to dost tajemně, ale má to poměrně velmi logický důvod.

23.9.2019 v 9:03 | Karma článku: 40.38 | Přečteno: 1954 | Diskuse

Jan Fikáček

Nevědecké pohádky moderní vědy I - nekonečno

Fyzika se dostává extrémně daleko od našeho přirozeného světa, a tím se ocitá v oblasti záhad, které je hodně těžké pochopit. Nejednou si s nimi neporadí i ti největší géniové. Pak je ale velmi důležité vyloučit prosté chyby.

16.9.2019 v 9:07 | Karma článku: 41.78 | Přečteno: 2259 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Dana Tenzler

Mýty kolem jaderné energetiky - problémy s jódem

V dalším díle seriálu “mýtů” se budu zabývat jódovými tabletami. Podle aktivistů jich není dost nebo nejsou uloženy tam, kde by být měly. Je to zbytečná panika? A jsou takové tablety vůbec potřeba? (délka blogu 5 min.)

14.10.2019 v 8:00 | Karma článku: 20.40 | Přečteno: 285 | Diskuse

Ladislav Jílek

Omyl nebo falzifikace? Olga Lepešinská

Vzpomínám si, že někdy v padesátých létech nám učitelka ve škole při hodině biologie říkala, že v Sovětském svazu se prý podařilo vyrobit živou hmotu.

13.10.2019 v 17:31 | Karma článku: 18.87 | Přečteno: 445 | Diskuse

Libor Čermák

Může mít prastarý symbol H archeoastronautický původ?

Zarazilo vás někdy, že v dávnověkých památkách se často objevuje symbol písmene "H"? Všiml jsem si totiž jistou souvislost s moderní kosmonautikou. Mohlo tady něco takového být už před tisíci lety?

13.10.2019 v 7:29 | Karma článku: 15.38 | Přečteno: 387 |

Dana Tenzler

Zdá se nám to, nebo vane vítr opravdu nejčastěji ze západu?

Proč se vyplatí chránit jednu stěnu domu před deštěm víc, než ty ostatní? Na vině je... jako tak často... fyzika. (délka blogu 5 min.)

10.10.2019 v 8:00 | Karma článku: 27.77 | Přečteno: 742 | Diskuse

Jan Řeháček

Matykání: vítejte ve varieté

Vektorové prostory jsou pro vybudování pojmu dimenze optimálním prostředím, ale mají jednu nevýhodu. Zdaleka ne vše kolem nás je "rovné". Aby mohli matematici propašovat dimenzi do zakřivených prostranství, vymysleli si "varietu".

9.10.2019 v 9:09 | Karma článku: 16.07 | Přečteno: 363 | Diskuse
Počet článků 155 Celková karma 41.28 Průměrná čtenost 2632

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. :-) 

Najdete na iDNES.cz