Hmota a energia navzájom súvisia

Hmota a energia navzájom súvisia
----------------------
Začiatkom 20. storočia vládla vo svete fyziky myšlienka, že svet je veľký mechanický stroj, ktorý sa riadi Newtonovými zákonmi. Fyzici mali pocit, že už poznajú väčšinu základných zákonov a že na vysvetlenie všetkých javov stačí len tieto (známe) zákony aplikovať. Väčšina fyzikov si myslela, že už stačí objastniť len pár nejasností a všetky fyzikálne deje budeme poznať ... V tom sa na scéne objavil 26 ročný génius so svojou Špeciálnou teóriou relativity. Túto teóriu vytvoril práve pri skúmaní jednej nejasnosti ohľadom nesúladu Newtonových zákonov s teóriou svetla. To, čo objavil, však nebola len kozmetická úprava známych zákonov - vytvoril úplne nový pohľad na veličiny čas a priestor. Ako prvý takisto zaviedol pojem časopriestor.
----------------------
Nečakaný vzťah medzi hmotou a energiou zaviedol nemecký geniálny fyzik Albert Einstein. Pred 100 rokmi zverejnil tri práce, ktoré významne prispeli k nášmu poznaniu vesmíru aj atómovej štruktúry hmoty. V jednej z prác teoreticky popísal tzv. Brownov pohyb, v ďalšej sa venoval fotoelektrickému javu.
Najväčší rozruch však vzbudila takzvaná špeciálna teória relativity, teda revolučný opis vzťahu priestoru a času. Predpovedala, že hmota a energia sú vo vzájomnom vzťahu. Einstein tvrdil, že táto rovnica je nevyhnuteľným dôsledkom matematických rovníc potrebných v rámci špeciálnej teórie relativity k vysvetleniu toho, že svetlo sa neustále šíri rovnakou rýchlosťou.
Z teórie vyplývajú viaceré pozoruhodné javy - napríklad, že čas a priestor závisia od rýchlosti pozorovateľa. To znamená, že za istých okolností dochádza k spomaľovaniu času, skracovaniu dĺžok a narastaniu hmotnosti. Ak by ste leteli rýchlosťou svetla, čas by vám ubiehal pomalšie. No rýchlosťou svetla letieť nemôžete, keďže podľa Einsteinovej špeciálnej teórie relativity ju môžu dosiahnuť len objekty s nulovou pokojovou hmotnosťou, napríklad fotóny. V tých časoch to znelo nepredstaviteľne.

- s teóriou relativity súvisí aj preslávená rovnica: E = mc2
- tá uvádza, že energia E sa vždy rovná hmotnosti telesa m vynásobenej konštantou, druhou mocninou rýchlosti svetla.

Tieto matematické vzťahy však predpovedajú niečo omnoho pozoruhodnejšieho: že sa totiž hmotnosť bude zvetšovať, zpočiatku pomaly, ale neustále rýchlejšie, tak ako sa rýchlosť čohokoľvek bude viac a viac blížiť rýchlosti svetla. Pre väčšinu z nás sú to veľmi ťažko pochopiteľné myšlienky. Žiadna zo skúseností nášho každodenného žovota totiž nenaznačuje, že hmotnosť predmetu by mala nejakým spôsobom súvisieť so svetlom. Je samozrejme, že sa nestretávame s objektami, ktoré sa pohybujú rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, takže ťažko budeme schopní posúdiť správnosť Einsteinovej teórie relativity. Ale v urýchľovači častíc sa prúdy elektrónov, používané k bombardovaniu terčíkov, blížia na svojej dráhe k bodu kolízie rýchlosťou velmi blízkou rýchlosti svetla, pričom sa zistilo, že pri zrýchľovaní sa meratelne zvyšuje ich hmotnosť. Tieto výsledky získané z pozorovania javov v urýchľovači opäť raz potvrdili správnosť Einsteinovej mimoriadne zdanlivo klamlivej intuície. Poskytli dôkaz o tom, že hmota a energia sú navzájom zameniteľné.

Ide v ňom o dva dôležité fyzikálne koncepty - o energiu a jej vzťah k hmote. V princípe môžeme získať energiu z hmoty.
Revolučným prvkom Einsteinovej teórie bolo tvrdenie, že energia sa v princípe nelíši od hmoty. Na základe toho sa dá energia transformovať na hmotu a hmota na energiu. Na princípe premeny hmoty na energiu dnes fungujú jadrové elektrárne a tiež jadrové bomby.
-----------------------------------

Hmota

Hmotu (staršie pomenovanie matéria) môžeme charakterizovať ako atribút substancie a entít prejavujúci sa pokojovou hmotnosťou alebo silovým poľom. Zjednodušene povedané ide o súhrnný názov pre látku a pole. V širšom zmysle hmota zahŕňa aj antihmotu. Hmota tvorí jedinú podstatu vesmíru, ale pritom sa vyskytuje v nekonečne mnohých kvalitatívne rozdielnych formách. V niektorých prípadoch sa pole (a teda ani fotón a pod.) za hmotu nepovažuje. Podľa teórie relativity nie je žiadny rozdiel medzi hmotou a energiou, pretože hmota sa môže zmeniť na energiu a naopak.
Ako vznik hmoty sa uvádza Veľký tresk, pri ktorom sa uvoľnili veľké množstvá energie a vznikol expandujúci štvorrozmerný časopriestor. Vďaka týmto obrovským množstvám energie vznikli veľké množstvá tesne na seba natlačených elementárnych častíc.

Hmota sa môže vyskytovať v rôznych skupenstavách, skupenstvá hmoty:
- pevné
- kvapalné
- plynné
- plazma
- Boseho-Einsteinov kondenzát
- fermiónový kondenzát (Deborah Jin, 2003)
Pričom podľa novšej definície už pojmy pevné a kvapalné neexistujú, ale sa rozlišuje skupenstvo „kryštalické“ a „amorfné“.
Prechodmi hmoty z jedného skupenstva na druhé, teda fázovou premenou sa zaoberá termodynamika.

Hmota má niekoľko dôležitých vlastností:
- hmotnosť
- objem
- štruktúra
- látkové množstvo
- vnútorná tepelná energia
Neoddeliteľnou vlastnosťou hmoty je pohyb. Základné formy pohybu hmoty spolu zreteľne súvisia a sú na seba závislé. Prítomnosť jednej formy pohybu je predpokladom pre vznik a prítomnosť ostatnej formy pohybu. Rozdeľuje päť základných foriem pohybu:
mikrofyzikálny - pohyb elementárnych častíc a polí, vnútrojadrový pohyb a pohyb mikročastíc
chemický - pohyb atómov pri vzniku chemických väzieb
makrofyzikálny (mechanický) - premiesťnovanie telies a systémov v priestore, zmeny štruktúry
biologický - funkcia a vývoj živých organizmov
spoločenský - procesy prebiehajúce v spoločnosti
----------------------------------
Energia

Energia (W alebo E) vo fyzike je schopnosť fyzikálnej sústavy konať prácu (W), čiže práca uložená vo fyzikálnej sústave. Inými slovami je to miera všetkých foriem pohybu hmoty. Energia sa premieňa na prácu a naopak. Platí, že zmena energie deja prebiehajúceho v danej sústave sa rovná práci vykonanej na sústave zvonka alebo práci odovzdanej smerom von. Keď na predmet pôsobí sila a uvádza ho do pohybu, prenáša sa naň alebo na jeho okolie energia. Tomuto prenosu energie hovoríme práca. Množstvo vykonanej práce od veľkosti sily a od dĺžky dráhy, po ktorej sa predmet pohybuje. Podľa teórie relativity sú hmota a energia ekvivalentné, pretože hmote prisudzujeme energiu o hodnote m.c2 (čiže E= m.c2). Z toho vyplýva, že aj v najmenších čiastočkách existuje istý druh pohybu, ktorého mierou je m.c2. Ak sústava prechádza z pokoja do pohybu alebo naopak, pričom sa jej nedodáva ani neodoberá mechanická práca, ostáva súčet polohovej a kinetickej energie nemenný.
Všetok život na Zemeguli závisí od energie, ktorá z drvivej väčšiny pochádza zo Slnka. Hoci energia nie je vec, ktorá by sa dala vidieť alebo ktorej by sme sa mohli dotknúť, predsa o nej môžeme uvažovať ako o niečom, čo prúdi z miesta na miesto a predsa sa to nestratí. Ľudia spotrebujú ohormné množstvo energie. Väčšinu zdrojov energie tvorí uhlie, ropa, zemný plyn a z jadrové palivo - urán. Všetky tieto zdroje sa však pomaly vyčerpávajú a nemožno ich obnovovať. V súčasnosti vedci experimentujú s obnoviteľnými energetickými zdrojmi. Patria medzi ne slnko, vietor, vlny a morské vzdúvanie.
Energia sa vyskytuje v mnohých podobách a môže sa meniť z jednej podoby na druhú. Napríklad v elektrárňach sa chemická energia ukrytá v uhlí alebo rope premieňa na tepelnú energiu, ktorou sa voda mení na paru. Turbíny menia tepelnú energiu pary na elektrickú. Energiu nemožno stvoriť ani zničiť; môže sa iba zmeniť z jednej formy na druhú. Zdá sa, že jedinou výnimkou by mohol byť prípad, keď sa v jadrovom reaktore mení hmota na energiu. No i tu spomínané pravidlo platí, pretože hmota a energia sú v skutočnosti len dve odlišné formy toho istého, schopné premieňať sa jedna na druhú.

Všetky druhy energií (mechanická, tepelná, svetelná, vodná atď.) možno zredukovať na dva/tri druhy:
- potenciálna energia = polohová energia- má svoju príčinu v polohe danej sústavy (a teda nepriamo v gravitácii Zeme), môže byť nahromadená vo forme potencionálnej energie, až kým sa nepremení na iný druh energie, trebárs na pohybovú energiu. Príkladov je veľa: voda v priehradnej nádrži pripravená pretiecť cez turbíny, chemická energia v akumulátore, pripravená vyprodukovať elektrický prúd, či stlačená pružina, ktorú môžeme uvoľniť a tým sa uvoľní energia
- kinetická energia = pohybová energia - má svoju príčinu v pohybe danej sústavy, napr. lietadlo, potrebuje kinetickú energiu na to, aby sa dostal do pohybu. Keď lietadlo brzdí, stráca kinetickú energiu; tá sa často mení na teplo, v lietadle sa napríklad zahrievajú brzdy
- vnútorná energia (U), ktorá zahŕňa rôzne druhy energie súvisiace s časticovou stavbou hmoty
----------------------------------------
ZÁVERY ŠPECIÁLNEJ TEÓRIE RELATIVITY
Čas a priestor neexistujú nezávisle. Ich vlastnosti sa navzájom ovplyvňujú.
Energia a hmotnosť sú tou istou fyzikálnou veličinou s tým, že každá sa meria v iných jednotkách. Vzťah medzi energiou a hmotnosťou je starý-známy vzorec E=mc2.
Nič sa nemôže pohybovať rýchlejšie ako svetlo
Niekedy nie je možné rozhodnúť, ktorá z udalostí nastala skôr. O nasledovaní dvoch udalostí je možné hovoriť len vtedy, ak je možné medzi dvoma udalosťami doručiť správu podsveteľnou rýchlosťou. Pokiaľ sú udalosti príliš vzdialené, alebo nastaly tesne po sebe, nedá sa objektívne zistiť, ktorá nastala skôr.
Pokiaľ meriame veľkosť pohybujúceho sa predmetu, bude sa nám javiť v smere pohybu skrátený.
Rýchlosť behu hodín závisí od toho, ako sa hodiny pohybujú.

Ako sa pohyb elektrónov zrýchľuje, nodobúdajú energiu, takže strana E rovnice, teda energie, rastie. Pokiaľ je rýchlosť svetla konštantná, časť c2 sa meniť nemôže. Takže aby sa E rovnalo mc2, musí narásť m, teda hmotnosť. Ak to znie akokoľvek nepravdepodobne, práve to sa deje s elektrónmi v urýchľovačoch. Ale čo je najdôležiťejšie, svedčí to o skutočnosti, že energia je fundamentálna pre všetku hmotu. Je zrejmé, že pri trieštení hmoty ale pri jej rozpade sa uvolňuje energia. Ale dá sa tento proces aj obrátiť? Môže sa energia premeniť na subatomárne častice, ktoré sa ďalej zoskupia do atómu? A dokázal vôbec veľký tresk hneď na počiatku uvolniť dostatočné množstvo energie k tomu, aby sa premenila na všetku hmotu vo vesmíre?
Roku 1905 odhalil nemecký fyzik Albert Einstein spojitosť medzi energiou a hmotou. Prišiel s myšlienkou, že hmota a energia sú len dve formy jednej existencie a že sa môžu premieňať jedna na druhú. Spojovacím ohnivkom medzi hmotou a energiou je okrídlený vzorec E = mc2. Znamená, že v 1 kg hmoty je ukrytá energia 25 miliárd kilowatthodín.

Vedci vypočítali, že človek spotreboval od objavu ohňa približne 5 miliónov miliárd (5 000 000 000 000 000) kWh energie. Znamená to, že na uspokojenie všetkých energetických potrieb človeka za posledných štvrť milióna rokov, teda od začiatku používania ohňa, by stačilo využiť energiu skrytú v 200 kg hmoty. Vedcom sa však dodnes nepodarilo objaviť spôsob, ako získať túto „zakliatu“ energiu. Pri spaľovaní dreva, uhlia a iných fosílnych palív získavame nanajvýš stomilióntinu percenta, ale ani v jadrových elektrárňach nedokážeme uvoľniť viac ako zlomok percenta skrytej energie.