الطاقة والزخم النسبيان

في النسبية الخاصة، تتحد الطاقة والزخم في متجه رباعي واحد، يكون طوله الثابت هو كتلة السكون، مما يعطي العلاقة الشهيرة E = mc^2 وكمية محفوظة لجميع العمليات عالية السرعة.

Definition

الطاقة والزخم النسبيان هما المكونات الزمنية والمكانية للمتجه الرباعي للطاقة-الزخم p = (E/c, p)، الذي يحكم مجموعه المحفوظ ديناميكيات الجسيمات، وتساوي قيمته المطلقة الثابتة كتلة السكون مضروبة في c.

Scope

يغطي هذا الموضوع التعريفات النسبية للزخم والطاقة، والمتجه الرباعي للطاقة-الزخم، والعلاقة الثابتة E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2، وطاقة السكون وتكافؤ الكتلة-الطاقة، وسلوك الجسيمات عديمة الكتلة مثل الفوتونات، وحفظ الزخم الرباعي في التصادمات، والاضمحلالات، والتفاعلات.

Core questions

• كيف يجب إعادة تعريف الزخم والطاقة بحيث تظل قوانين الحفظ سارية في كل إطار قصوري؟
• ماذا تعني E = mc^2 لجسم في حالة سكون، وكيف تضيف الطاقة إلى الكتلة؟
• كيف يمكن للجسيمات عديمة الكتلة مثل الفوتونات أن تحمل زخمًا وطاقة؟

Key concepts

• الزخم النسبي
• طاقة السكون وكتلة السكون
• المتجه الرباعي للطاقة-الزخم
• العلاقة الثابتة E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2
• الجسيمات عديمة الكتلة
• حفظ الزخم الرباعي

Key theories

المتجه الرباعي للطاقة-الزخم

الطاقة والزخم هما مكونات متجه رباعي واحد يتحول بواسطة تحويل لورنتز، بحيث يتم حفظ الزخم الرباعي الكلي في جميع الأطر وتكون قيمته المطلقة الثابتة هي كتلة السكون.

تكافؤ الكتلة-الطاقة

يمتلك الجسم الساكن طاقة سكون E = mc^2، وأي تغيير في طاقته الداخلية يغير كتلته بشكل متناسب، بحيث تكون الكتلة شكلاً من أشكال الطاقة وهما قابلتان للتحويل المتبادل في العمليات النووية والجسيمية.

Clinical relevance

يُعد تكافؤ الكتلة-الطاقة أساسًا لإطلاق الطاقة في الانشطار والاندماج النوويين، وتكوين وإفناء أزواج الجسيمات والمضادات في المصادمات وفي التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، وحساب طاقة الربط الذي يفسر سبب تألق النجوم وسبب استقرار بعض النوى.

History

استنتجت ورقة أينشتاين التكميلية القصيرة عام 1905 أن الجسم الذي يبعث طاقة يفقد كتلة، مما أدى إلى تكافؤ الكتلة-الطاقة؛ وقد تم صقل العلاقة بواسطة بلانك وآخرين وتأكيدها بشكل حاسم بواسطة الفيزياء النووية في ثلاثينيات القرن الماضي، حيث تطابقت طاقات الربط المقاسة مع عيوب الكتلة.

Key figures

• Albert Einstein
• Max Planck
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• einstein1905b
• rindler2006

Frequently asked questions

هل تزداد كتلة الجسم مع زيادة سرعته؟

يحافظ الاستخدام الحديث على الكتلة ككتلة سكون ثابتة وينسب نمو القصور الذاتي عند السرعات العالية إلى ارتفاع الطاقة والزخم النسبيين؛ وتصف لغة 'الكتلة النسبية' الأقدم نفس الفيزياء ولكنها تُتجنب عمومًا الآن.

كيف يمكن للفوتون أن يمتلك زخمًا إذا لم يكن له كتلة؟

تختزل العلاقة الثابتة E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2 لجسيم عديم الكتلة إلى E = pc، لذا يحمل الفوتون زخمًا يتناسب مع طاقته، وهذا ما يجعل ضغط الإشعاع وتشتت كومبتون ممكنين.