ในงานทางวิทยาศาสตร์ปฏิวัติที่ค้นพบโดย Albert Einstein ในปี 1905 E = mc2 แนะนำโดยที่ E คือพลังงาน m คือมวลและ c คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ ตั้งแต่นั้นมา E = mc2 ได้กลายเป็นหนึ่งในสมการที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในโลก ที่จริงแล้ว ผู้คนที่ไม่มีพื้นฐานทางฟิสิกส์ อย่างน้อยเคยได้ยินเกี่ยวกับสมการนี้และตระหนักดีถึงผลกระทบมหาศาลต่อโลก อย่างไรก็ตาม คนส่วนใหญ่ไม่รู้ว่าสมการหมายถึงอะไร พูดง่ายๆ สมการนี้แสดงความสัมพันธ์ของพลังงานกับสสาร ในสาระสำคัญ พลังงานและสสารเป็นสองรูปแบบที่เหมือนกัน สมการง่ายๆ นี้ได้เปลี่ยนวิธีคิดของเราเกี่ยวกับพลังงาน และก่อให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีต่างๆ
ขั้นตอน
ส่วนที่ 1 จาก 2: การทำความเข้าใจสมการ
ขั้นตอนที่ 1 กำหนดตัวแปรสมการ
ขั้นตอนแรกในการทำความเข้าใจสมการคือการรู้ความหมายของตัวแปรแต่ละตัว ในกรณีนี้ E คือพลังงานของวัตถุนิ่ง m คือมวลของวัตถุ และ c คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ
ความเร็วแสง (c) เป็นค่าคงที่ซึ่งเท่ากันในแต่ละสมการและมีค่าประมาณ 3.00x108 เมตรต่อวินาที ในบริบทของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ c2 ทำหน้าที่เป็นตัวประกอบการแปลงหน่วยมากกว่าค่าคงที่ ดังนั้น c จึงยกกำลังสองจากการวิเคราะห์เชิงมิติ (พลังงานมีหน่วยวัดเป็นจูล หรือ kg m2 NS-2) เพื่อให้การเพิ่ม c2 เพื่อให้แน่ใจว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและมวลมีความสอดคล้องกันในมิติ
ขั้นตอนที่ 2 ทำความเข้าใจว่าพลังงานคืออะไร
พลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น ความร้อน ไฟฟ้า เคมีภัณฑ์ นิวเคลียร์ และอื่นๆ พลังงานถูกถ่ายโอนระหว่างระบบต่าง ๆ (ให้พลังงานกับระบบหนึ่งในขณะที่ดึงพลังงานจากระบบอื่น)
พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ แต่จะแปลงเป็นรูปแบบต่างๆ เท่านั้น ตัวอย่างเช่น ถ่านหินมีพลังงานศักย์จำนวนมากที่เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนเมื่อถูกเผา
ขั้นตอนที่ 3 กำหนดแนวคิดของมวล
โดยทั่วไปแล้วมวลถูกกำหนดให้เป็นปริมาณของสสารในวัตถุ
- นอกจากนี้ยังมีคำจำกัดความของมวลอีกด้วย มีคำว่า "พลังงานพักผ่อน" และ "มวลสัมพัทธภาพ" พลังงานพักผ่อนคือมวลที่คงที่และไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าคุณจะใช้กรอบอ้างอิงใดก็ตาม ในทางกลับกัน. มวลสัมพัทธภาพขึ้นอยู่กับความเร็วของวัตถุ ในสมการ E = mc2, m หมายถึงพลังงานที่เหลือ นี่เป็นสิ่งสำคัญมากเพราะมันหมายถึงมวลของคุณ ไม่ เพิ่มขึ้นแม้ว่าคุณจะเร่งความเร็ว ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่นิยม
- ควรเข้าใจว่ามวลและน้ำหนักเป็นสองสิ่งที่แตกต่างกัน น้ำหนักคือแรงโน้มถ่วงที่วัตถุสัมผัสได้ ในขณะที่มวลคือปริมาณของสสารในวัตถุ มวลเปลี่ยนแปลงได้ก็ต่อเมื่อวัตถุมีการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ในขณะที่น้ำหนักเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงของวัตถุรอบข้าง มวลวัดเป็นกิโลกรัม (กก.) ในขณะที่น้ำหนักวัดเป็นนิวตัน (N)
- เช่นเดียวกับพลังงาน มวลไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปแบบได้ ตัวอย่างเช่น ก้อนน้ำแข็งละลายเป็นของเหลว แต่ยังคงมีมวลเท่ากันในทั้งสองรูปแบบ
ขั้นตอนที่ 4 เข้าใจว่ามวลและพลังงานมีค่าเท่ากัน
สมการนี้ระบุว่ามวลและพลังงานเท่ากัน และบอกว่ามีพลังงานเท่าใดในมวลที่กำหนด โดยพื้นฐานแล้ว สมการนี้อธิบายว่าจริง ๆ แล้วมวลขนาดเล็กเต็มไปด้วยพลังงานมหาศาล
ส่วนที่ 2 ของ 2: การใช้สมการในโลกแห่งความเป็นจริง
ขั้นตอนที่ 1 ทำความเข้าใจว่าพลังงานที่ใช้มาจากไหน
พลังงานส่วนใหญ่ที่เราบริโภคมาจากการเผาถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ การเผาไหม้ของสารเหล่านี้ทำให้เกิดการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอน (อิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่ในเปลือกนอกสุดของอะตอม) และพันธะที่ทำขึ้นกับองค์ประกอบอื่นๆ เมื่อเติมความร้อน พันธะเหล่านี้จะขาดและพลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกใช้เป็นแหล่งพลังงาน
การรับพลังงานด้วยวิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพและสร้างความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก
ขั้นตอนที่ 2 ใช้สมการของ Einstein เพื่อให้การแปลงพลังงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น
E = mc2บอกเราว่ามีพลังงานสะสมอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมมากกว่าในเวเลนซ์อิเล็กตรอน พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวของอะตอมนั้นสูงกว่าพลังงานของพันธะอิเล็กตรอนมาก
พลังงานนิวเคลียร์ขึ้นอยู่กับหลักการนี้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำให้เกิดการแตกตัวของอะตอมและจับพลังงานจำนวนมากที่ปล่อยออกมา
ขั้นตอนที่ 3 ค้นพบเทคโนโลยีที่สร้างขึ้นโดย E = mc2.
E = mc2 อนุญาตให้มีการสร้างเทคโนโลยีใหม่ที่น่าตื่นเต้นมากมาย ซึ่งเราได้กลายเป็นความต้องการหลักของเรา:
- PET scan ใช้กัมมันตภาพรังสีเพื่อดูว่ามีอะไรอยู่ภายในร่างกาย
- สมการนี้ช่วยให้สามารถพัฒนาโทรคมนาคมด้วยดาวเทียมและรถแลนด์โรเวอร์
- การหาอายุของเรดิโอคาร์บอนใช้การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีตามสมการนี้เพื่อกำหนดอายุของวัตถุโบราณ
- พลังงานนิวเคลียร์เป็นแหล่งพลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับสังคมของเรา
