แปลจากบทความบางบทในหนังสือ out of my later years
เขียนโดย แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์
แปลโดยคุณราชัย ประกอบการ
E = mc2
เพื่อที่จะเข้าใจกฏของความสมมูลของมวลและพลังงานเราจะต้องย้อนกลับไปที่หลัก การการอนุรักษ์ หรือหลักการ “ความสมดุล” สองหลักการ ซึ่งไม่ขึ้นต่อกันที่มีฐานะสูงส่งในฟิสิกส์ก่อนสัมพัทธภาพ พวกนี้คือหลักการการอนุรักษ์ของพลังงานและหลักการการอนุรักษ์ของมวล อันแรก ในพวกนี้ที่เสนอโดยไลบ์นิตซ์นานมาแล้วคือ ศตวรรษที่สิบเจ็ดได้รับการพัฒนาในศตวรรษที่สิบเก้าที่โดยเนื้อแท้แล้วเหมือน เป็นบทแทรกของหลักการของกลศาสตร์
รูปที่ 1
(รูปจากต้นฉบับของ ดร.ไอน์สไตน์)
ยกตัวอย่างเช่น พิจารณาลูกตุ้มนาฬิกา ซึ่งมวลของมันแกว่งไปมาระหว่างจุด A และ B ที่จุดเหล่านี้มวล m อยู่สูงกว่าเมื่อมันอยู่ที่ C ซึ่งเป็นจุดต่ำสุดของเส้นทางเป็นปริมาณ h (ดูรูป) ในทางตรงกันข้ามที่ C ความสูงที่ยกขึ้นหมดไป และแทนที่มัน มวลนี้มีความเร็ว v มันราวกับว่า ความสูงที่ยกขึ้นสามารถเปลี่ยนรูปเป็นความเร็วทั้งหมดได้และในทางกลับกัน ความสัมพันธ์จริงๆ จะเขียนออกมาได้เป็น mgh = mv2/2 โดย g แทนความเร่งจากความโน้มถ่วง สิ่งที่น่าสนใจตรงนี้ก็คือว่าความสัมพันธ์นี้ไม่ขึ้นกับทั้งความยาวของ ลูกตุ้มนาฬิกาและรูปแบบของเส้นทาง ซึ่งมวลเคลื่อนที่จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง
นัยสำคัญก็คือว่า อะไรบางอย่างยังคงตัวอยู่ตลอดกระบวนการโดยเฉพาะอย่างยิ่งอะไรบางอย่างนั้น คือ พลังงาน ที่ A และที่ B มันเป็นพลังงานของตำแหน่งหรือพลังงาน “ศักย์” ; ที่ C มันเป็นพลังงานของการเคลื่อนที่ หรือพลังงาน “จลน์” ถ้าแนวคิดนี้ถูกต้อง ถ้าอย่างนั้นผลรวม mgh+ mv2/2 จะต้องมีค่าเดียวกันสำหรับตำแหน่งใดๆของลูกตุ้มนาฬิกา ถ้า h ละไว้ในฐานที่เข้าใจว่าแทนความสูงที่สูงกว่า C และ v ความเร็วที่จุดนั้นในทางเดินของลูกตุ้มนาฬิกา และที่จริงพบว่าเรื่องเป็นเช่นนี้ การวางหลักเกณฑ์ทั่วไปของหลักการนี้ให้กฏการอนุรักษ์ของพลังงานกลแก่เรา แต่เกิดอะไรขึ้นเมื่อความเสียดทานหยุดลูกตุ้มนาฬิกา?
มีการพบคำตอบของเรื่องนั้นในการศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์เชิงความร้อน การศึกษานี้อิงกับข้อสมมติที่ว่า ความร้อนเป็นสสารที่ไม่สามารถทำลายได้ ซึ่งไหลจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่า ซึ่งดูเหมือนจะให้หลักการ “การอนุรักษ์ของความร้อน” แก่เรา ในทางตรงกันข้าม จากดึกดำบรรพ์เป็นที่รู้กันโดยทั่วไปว่าความเสียดทานสามารถทำให้เกิดความ ร้อนขึ้นได้ เหมือนในการฝึกทักษะการก่อไฟของอินเดียนแดง เป็นเวลานานที่นักฟิสิกส์ไม่สามารถจะอธิบาย “กระบวนการผลิต” ความร้อนแบบนี้ได้ พวกเขาเอาชนะปัญหานี้ เมื่อมีการพิสูจน์ได้สำเร็จว่า สำหรับความร้อนปริมาณที่กำหนดให้ใดๆที่เกิดขึ้นโดยความเสียดทานจะต้องใช้ ปริมาณของพลังงานที่ได้สัดส่วนกันพอดี เราจึงได้หลักการของ “ความสมมูลของงานและความร้อน” ยกตัวอย่างเช่น เกี่ยวกับเรื่องลูกตุ้มนาฬิกาของเรา พลังงานกลค่อยๆถูกความเสียดทานเปลี่ยนรูปไปเป็นความร้อน
โดยวิธีการเช่นนี้ หลักการการอนุรักษ์ของพลังงานกลและความร้อนถูกรวมให้เป็นหนึ่ง ดังนั้นทำให้นักฟิสิกส์เชื่อว่า หลักการการอนุรักษ์สามารถขยายออกไปอีกได้ เพื่อจะรวมกระบวนการเชิงเคมีและเชิงแม่เหล็กไฟฟ้า - สรุปแล้วสามารถประยุกต์ไปใช้กับทุกสาขาได้ ดูเหมือนว่าในระบบเชิงฟิสิกส์ของเรามีพลังงานโดยรวมที่ยังคงตัวอยู่ตลอดการ เปลี่ยนแปลงทั้งมวลที่อาจเกิดขึ้น
ตอนนี้ในเรื่องหลักการการอนุรักษ์ของมวล มวลถูกกำหนดโดยความต้านทานที่วัตถุต้านต่อความเร่งของมัน (มวลเฉื่อย) มันถูกวัดโดยน้ำหนักของวัตถุ (มวลหนัก) ด้วย ที่ว่าสองคำนิยามนี้ที่ต่างกันโดยสิ้นเชิงนำไปสู่ค่าเดียวกันสำหรับมวลของ วัตถุโดยเนื้อแท้แล้ว เป็นข้อเท็จจริงที่น่าประหลาดใจ ตามหลักการนี้ นั่นก็คือว่ามวลยังคงไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การเปลี่ยนแปลงเชิงฟิสิกส์หรือ เคมี - มวลดูเหมือนจะเป็นคุณลักษณะที่สำคัญ (เพราะไม่เปลี่ยนแปลง)ของสสาร การทำให้ร้อน , การทำให้ละลาย , การทำให้เป็นไอ หรือการรวมกันเป็นสารประกอบทางเคมีจะไม่เปลี่ยนมวลทั้งหมด
นักฟิสิกส์ยอมรับหลักการนี้ จนถึงสองสามทศวรรษที่แล้ว แต่เป็นที่ประจักษ์ในเวลาต่อมาว่าไม่ดีพอ แม้จะมีทฤษฏีสัมพัทธพิเศษ ดังนั้นมันถูกรวมเข้ากับหลักการพลังงาน - ในลักษณะเดียวกับประมาณ 60 ปีก่อนหน้านี้ ที่หลักการการอนุรักษ์ของพลังงานกลได้ถูกรวมกับหลักการการอนุรักษ์ของความ ร้อน เราอาจจะพูดว่า หลักการการอนุรักษ์ของพลังงานที่ก่อนหน้านี้ ได้กลืนกินหลักการการอนุรักษ์ของความร้อน ตอนนี้ได้กลืนกิน หลักการการอนุรักษ์ของมวลต่อไป - และยังคงโดดเด่นอยู่ตามลำพัง
เป็นเรื่องปกติที่จะเขียนความสมมูลของมวลและพลังงานออกมา (แม้ว่าไม่ตรงบ้าง) โดยสูตร E = mc2 ซึ่ง c แทนความเร็วของแสงซึ่งประมาณ 186,000 ไมล์ต่อวินาที E เป็นพลังงานที่มีอยู่ในวัตถุที่หยุดนิ่ง ; m เป็นมวลของมัน พลังงานที่เป็นของมวล m เท่ากับมวลนี้คูณด้วยกำลังสองของอัตราเร็วที่มหาศาลของแสง - หรืออีกนัย หนึ่งคือ ปริมาณมากมายของพลังงานสำหรับทุกๆปริมาณของมวล
แต่ถ้าทุกๆ กรัมของวัตถุมีพลังงานมากมายมหาศาลนี้อยู่ ทำไมไม่มีใครสังเกตเห็นนานที เดียว? คำตอบก็ง่ายจริงๆ : ตราบใดที่ไม่มีการปล่อยพลังงานออกมาภายนอก จะไม่สามารถสังเกตเห็นมันได้ ประหนึ่งว่าคนซึ่งร่ำรวยเหลือล้นคงจะไม่ใช้เงินเลย หรือให้เงินผู้อื่นไปเปล่าๆนิดหน่อย ; ไม่มีใครจะบอกได้ว่าเขาร่ำรวยเพียงใด
ตอนนี้เราสามารถกลับลำดับความสัมพันธ์ได้และพูดว่า การเพิ่มขึ้นของ E ในปริมาณของพลังงานจะต้องมีการเพิ่มขึ้นของ E/c2 ในมวลไปด้วย ฉันสามารถจัดหาพลังงานให้กับมวลนี้ได้อย่างง่ายดาย - อย่างเช่น ถ้าฉันทำให้มันร้อนขึ้น 10 องศา แล้วทำไมไม่วัดการเพิ่มขึ้นของมวล หรือการเพิ่มขึ้นของน้ำหนักที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงนี้ล่ะ? ปัญหาตรงนี้ก็คือว่า ในการเพิ่มขึ้นของมวล ตัวประกอบขนาดมหาศาล c2 เกิดขึ้นในตัวหารของเศษส่วนนี้ ในกรณีเช่นนี้การเพิ่มขึ้นน้อยเกินกว่าที่จะวัดได้โดยตรง ; แม้แต่ด้วยตาชั่งที่ไวที่สุด
สำหรับการเพิ่มขึ้นของมวลที่จะวัดได้ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานต่อปริมาณของมวลจะต้องมากมายมหาศาล เราพอรู้เรื่องขอบเขตความรู้หนึ่งเท่านั้นซึ่งปริมาณของพลังงานต่อปริมาณของ มวลเช่นนี้ ถูกปล่อยออกมา : นั่นก็คือการสลายตัวของกัมมันตรังสี ในรูปแบบของแผนภูมิ กระบวนการนี้ดำเนินไปอย่างนี้ : อะตอมของมวล M แยกออกเป็นสองอะตอมที่มีมวล M’ และ M” ซึ่งแยกออกพร้อมกับพลังงานจลน์มากมายมหาศาล ถ้าเรานึกภาพสองมวลนี้ว่าถูกทำให้หยุดนิ่งหรืออีกนัยหนึ่งคือ ถ้าเราเอาพลังงานของการเคลื่อนที่นี้ไปจากพวกมัน - ถ้าอย่างนั้น ถ้าพิจารณาด้วยกัน โดยเนื้อแท้แล้วพวกมันมีพลังงานน้อยกว่าอะตอมเดิม ตามหลักการของความสมมูลผลรวมของมวล M’ + M” ของผลิตผลของการสลายตัวจะต้องน้อยกว่า มวลเดิม M ของอะตอมที่สลายตัวบ้างด้วย ซึ่งขัดแย้งกับหลักการการอนุรักษ์ของมวลแบบเก่า ความแตกต่างสัมพัทธ์ของทั้งสองประมาณ 1/10 ของหนึ่งเปอร์เซนต์
ตอนนี้ ที่จริงเราไม่สามารถชั่งน้ำหนักอะตอมเป็นอะตอมๆ ไปได้ : แต่ว่ามีวิธีโดยอ้อมที่จะวัดน้ำหนักของพวกมันอย่างแม่นยำ เราสามารถหาพลังงานจลน์ที่ ถูกถ่ายไปยัง ผลิตผลของการสลายตัว M’ และ M” ได้เช่นกัน มันจึงกลายเป็นเป็นไปได้ที่จะทดสอบและยืนยันสูตรของความสมมูล กฏยอมให้เราคำนวณล่วงหน้าด้วย จากน้ำหนักอะตอมที่หาได้อย่างถูกต้องแม่นยำ ก็แค่พลังงานเท่าไหร่จะถูกปล่อยออกมา พร้อมกับการสลายตัวของอะตอมใดๆ ที่เราคิดไว้แล้วเท่านั้น แน่ละกฏไม่ได้บอกอะไรเลยในเรื่องที่ว่าสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาการสลายตัว ขึ้นได้ หรือไม่ หรืออย่างไร
อาจแสดงให้ได้โดยอาศัยคนที่ร่ำรวยของเราว่าเกิดอะไรขึ้น อะตอม M นี้เป็นคนขี้เหนียวที่ร่ำรวยผู้ซึ่งในช่วงชีวิตของเขาไม่ได้ให้เงิน (พลังงาน) คนอื่นไปเปล่าๆเลย แต่ตามความปรารถนาของเขา เขาทำพินัยกรรมยกสมบัติของเขาให้กับลูกชายของเขา M’ และ M” โดยมีข้อแม้ว่าพวกเขาให้ทรัพย์จำนวนเล็กน้อยแก่ชุมชน น้อยกว่าเศษหนึ่งส่วนพันของมรดกทั้งหมด (พลังงานหรือมวล) ลูกชายรวมกันน้อยกว่าที่พ่อมีบ้าง (ผลรวมของมวล M’ + M” น้อยกว่า มวล M ของอะตอมกัมมันตรังสีบ้าง) แต่ส่วนที่ให้แก่ชุมชน แม้ว่าเมื่อเทียบแล้วถือว่าน้อยยังมากมายมหาศาลอยู่ (ถือเสียว่าเป็นพลังงานจลน์) จนมันนำตัวอันตรายอย่างยิ่งของสิ่งชั่วร้ายไปกับมัน การหยุดยั้งตัวอันตรายนั้นได้กลายเป็นปัญหาที่เร่งด่วนที่สุดในยุคสมัยของ เรา
ที่มา:http://www.vcharkarn.com/varticle/40899
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น