วิธีการ เข้าใจสมการ E=mc2

ดาวน์โหลดบทความ

ดาวน์โหลดบทความ

ภายในบทความนี้:

ทำความเข้าใจสมการ

ประยุกต์สมการในโลกแห่งความเป็นจริง

บทความที่เกี่ยวข้อง

ข้ออ้างอิง

ในงานวิจัยที่เปลี่ยนโฉมหน้าของวิทยาศาสตร์ชิ้นหนึ่งของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ที่ออกตีพิมพ์ในปี 1905 นั้น เป็นการแนะนำให้โลกได้รู้จักสมการ E=mc² ที่ซึ่ง E คือพลังงาน, m คือมวล, และ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ นับแต่นั้น E=mc² ได้กลายเป็นหนึ่งในสมการที่โด่งดังมากที่สุดของโลก แม้กระทั่งคนที่ไม่มีภูมิความรู้ทางฟิสิกส์อย่างน้อยก็ต้องเคยได้ยินสมการนี้และรับรู้ถึงอิทธิพลที่มันส่งผลต่อโลกที่เราอยู่ในทุกวันนี้ได้ อย่างไรก็ดี คนส่วนใหญ่ไม่ได้รู้ว่ามันหมายถึงอะไร ถ้าพูดง่ายๆ สมการนี้ก็ใช้แทนความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับสสาร: โดยพื้นฐานแล้ว พลังงานกับสสารนั้นถือเป็นรูปแบบที่แตกต่างของสิ่งๆ เดียวกัน สมการที่ดูเรียบง่ายนี้ได้ฉีกวิธีที่เราคิดถึงพลังงานและได้เปิดทางให้เราได้พบความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนับไม่ถ้วน

ขั้นตอน

ส่วน 1

ส่วน 1 ของ 2:

ทำความเข้าใจสมการ

ดาวน์โหลดบทความ

1. 
   1
   เข้าใจความหมายของตัวแปรแต่ละตัวในสมการ. ขั้นตอนแรกของการทำความเข้าใจสมการใดๆ อยู่ที่การรู้ว่าตัวแปรแต่ละตัวหมายถึงอะไร ในกรณีนี้ E คือพลังงานของวัตถุตอนหยุดนิ่ง, m คือมวลของวัตถุนั้น และ c คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ

   • ความเร็วของแสงหรือ c นั้นเป็นค่าคงที่ในทุกกรอบอ้างอิง และประมาณได้เท่ากับ 3.00x10⁸ เมตรต่อวินาที ในบริบทของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์นั้น c² มีหน้าที่เป็นเสมือนแฟกเตอร์ของการใช้แปลงหน่วยมากกว่าจะเป็นค่าคงที่ ดังนั้น มันจึงถูกยกค่ากำลังสองอันเป็นผลมาจากการวิเคราะห์เชิงมิติ พลังงานจะถูกวัดค่าเป็นจูล (joule) หรือ kg m² s^-2, ดังนั้นการเพิ่ม c² เข้าไปจึงแสดงว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับสสารนั้นมีความสอดคล้องในเชิงมิติอยู่
2. 
   2
   เข้าใจว่าพลังงานนั้นหมายถึงอะไร. พลังงานนั้นมีหลายรูปแบบเช่น พลังงานความร้อน ไฟฟ้า เคมี นิวเคลียร์ และอื่นๆ อีกมากมาย พลังงานนั้นจะมีการถ่ายโอนระหว่างระบบโดยให้กำลังกับระบบหนึ่งในขณะที่จะดึงกำลังออกมาจากอีกระบบ

   • พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายทิ้งได้ มันเพียงแต่จะเปลี่ยนรูปแบบ เช่น ถ่านหินมีพลังงานศักย์มากที่จะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนเมื่อมันถูกเผาไหม้
3. 
   3
   เข้าใจว่ามวลหมายถึงอะไร. มวลมักถูกนิยามว่าเป็นจำนวนของสสารในวัตถุ

   • ยังมีนิยามอื่นๆ ของมวลอีกสองสามแบบ มี "มวลนิ่ง (invariant mass)" และ "มวลสัมพัทธภาพ (relativistic mass)" มวลนิ่งคือมวลที่จะไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าคุณจะอยู่ในกรอบอ้างอิงใด มวลสัมพัทธภาพนั้นตรงกันข้าม มันจะผันแปรไปตามความเร็วของวัตถุนั้น ในสมการ E = mc², m หมายถึงมวลนิ่ง ตรงนี้มีความสำคัญ เพราะนั่นหมายความว่ามวลของคุณจะ ไม่ ขยายเมื่อคุณใช้ความเร็วเพิ่มขึ้น ซึ่งต่างจากความเชื่อโดยทั่วไป
   • เป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องเข้าใจว่ามวลกับน้ำหนักนั้นแตกต่างกัน น้ำหนักคือแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ ในขณะที่มวลคือปริมาณของสสารในวัตถุนั้น มวลจะเปลี่ยนได้ก็ต่อเมื่อวัตถุนั้นมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ในขณะที่น้ำหนักสามารถเปลี่ยนได้ขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงของสภาพแวดล้อมที่วัตถุนั้นอาศัยอยู่ มวลจะวัดเป็นกิโลกรัม (kg) ในขณะที่น้ำหนักจะวัดเป็นนิวตัน (N)
   • ก็เหมือนกับพลังงาน มวลไม่สามารถสร้างหรือทำลายทิ้งได้ แต่มันสามารถเปลี่ยนรูปแบบ เช่น ก้อนน้ำแข็งสามารถละลายเป็นน้ำ แต่ยังคงมีมวลเท่ากันทั้งสองสถานะ
4. 
   4
   ตระหนักว่ามวลและพลังงานนั้นมีความเท่ากัน. สมการระบุไว้ว่ามวลกับพลังงานนั้นคืออย่างเดียวกัน และบอกคุณว่ามีพลังงานจำนวนแค่ไหนถูกกักเก็บอยู่ภายในปริมาณของมวลเท่าใด หลักๆ ก็คือสมการอธิบายว่ามวลปริมาณเล็กน้อยสามารถกักเก็บพลังงานจำนวนมหาศาลได้
   โฆษณา

ส่วน 2

ส่วน 2 ของ 2:

ประยุกต์สมการในโลกแห่งความเป็นจริง

ดาวน์โหลดบทความ

1. 
   1
   เข้าใจว่าพลังงานที่นำมาใช้ได้นี้มาจากไหน. พลังงานที่เรานำมาใช้ส่วนใหญ่จะมาจากการเผาถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ การเผาสารเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากเวเลนซ์อิเล็กตรอน (อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรชั้นนอกสุดของอะตอมที่ยังไม่มีการสร้างพันธะเคมี) และพันธะที่พวกมันทำกับธาตุอื่นๆ เมื่อมีการเติมความร้อนเข้าไป พันธะเหล่านี้จะแตกสลายปลดปล่อยพลังงานออกมาทำให้เราได้ใช้ในชุมชน

   • การได้พลังงานมาในรูปแบบนี้ถือว่าไม่มีประสิทธิภาพนักและส่งผลใหญ่หลวงต่อสภาพแวดล้อม
2. 
   2
   ประยุกต์สมการของไอน์สไตน์เพื่อทำให้การแปลงพลังงานทำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น. E=mc² บอกเราว่ามันยังมีพลังงานมากมายเก็บกักไว้ภายในนิวเคลียสของอะตอมมากกว่าในเวเลนซ์อิเล็กตรอนของมันเสียอีก พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากการแตกอะตอมนั้นสูงกว่าที่แตกออกจากพันธะอิเล็กตรอนมาก

   • พลังงานนิวเคลียร์ก็อาศัยหลักการข้อนี้นี่เอง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ทำให้เกิดการฟิชชัน (การแตกตัวของอะตอม) และปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา
3. 
   3
   ค้นพบเทคโนโลยีที่เป็นจริงได้ด้วยสมการ E=mc². E=mc² ได้ก่อให้เกิดเทคโนโลยีใหม่ๆ และน่าตื่นเต้นมากมายตามมา บางอย่างนั้นเราแทบนึกไม่ออกเลยว่าจะใช้ชีวิตโดยปราศจากมันได้อย่างไร:

   • PET scan ที่ใช้รังสีในการมองทะลุเข้าไปภายในของร่างกาย
   • สมการนี้ทำให้เกิดการพัฒนาในระบบสื่อสารโทรคมนาคมผ่านทางดาวเทียม
   • การหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสี (Radiocarbon dating) ใช้การลดลงของกัมมันตรังสีโดยอาศัยสมการนี้เพื่อค้นหาอายุความเก่าแก่ของวัตถุโบราณ
   • พลังงานนิวเคลียร์ที่ให้แหล่งพลังงานที่สะอาดกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าแก่สังคม
   โฆษณา