質量とエネルギー保存の法則によれば、完全に充電された携帯電話は、必ずしも空の携帯電話よりも重くなるのでしょうか?

長い間、科学者たちは質量保存則とエネルギー保存則の間で迷っていました。アインシュタインが質量エネルギー方程式を提唱して初めて、人々は質量とエネルギーが本質的に同じものであることを理解し、質量とエネルギーの保存則が生まれたため、ようやく両者の絡み合いから解放されました。

質量とエネルギーは保存され、質量とエネルギーは本質的に同じものであるため、完全に充電された携帯電話は充電されていない携帯電話よりも重くなるはずですよね?まさにそれが起こっているのです。質量エネルギー方程式 E=mc∧2 を見てみましょう。この式では、E はエネルギー、m は質量、c∧2 は光速の 2 乗を表します。光の速度はどの基準フレームに対しても一定なので、この式には質量とエネルギーという 2 つの変数しかありません。明らかに、この2つは密接に関連しています。一方が増加すれば他方も増加し、一方が減少すれば他方も減少します。

質量-エネルギー方程式の E は物体の総エネルギーを表します。

物体の総エネルギーは複数の部分から構成されます。たとえば、私たちが通常運動エネルギーと重力による位置エネルギーと呼んでいるものはすべて、物体のエネルギーの構成要素です。携帯電話が未充電状態から満充電状態に変わると、含まれる電気エネルギーが異なり、つまり満充電された携帯電話の総エネルギーが増加するため、質量エネルギー方程式によれば、携帯電話の質量も増加するはずです。同様に、地面に対して、10 階に置かれた携帯電話は、地面に置かれた携帯電話よりも重くなります。これは、前者のほうが重力による位置エネルギーが大きく、したがって総エネルギーも大きいため、質量もそれに応じて増加するからです。たとえば、携帯電話を投げると、運動エネルギーが増加し、それに応じて質量も増加するため、ポケットの中にあるときよりも重くなります。

完全に充電された携帯電話は電池切れの携帯電話よりも重いのに、なぜそれを感じないのでしょうか?

これは、完全に充電された携帯電話は重くなりますが、このわずかな電気によって増加した質量は非常に小さいため、まったく感じたり測定したりできないためです。おそらく、次のような疑問が湧くでしょう。「これはすべて質量エネルギー方程式に基づいていますが、質量エネルギー方程式が正しいことをどうやって確認できるのでしょうか?」実際、100 年以上前、アインシュタインは単純な思考実験を使って質量とエネルギーの方程式を証明しました。思考実験を採用した理由は、当時の技術的条件の制限により、この実験を実際に実行することが不可能だったためです。アインシュタインの思考実験は非常に単純です。密閉された箱があり、箱の片側に光源があると仮定します。

この光源がボックスの左側にあると仮定します。この光源をオンにすると、右側に光子が放出されます。

光子を右に放出することは、力を右に適用することと同じです。運動量保存の原理によれば、箱には大きさが等しく方向が反対の力が加わるため、反力によって箱は左に移動します。光子の運動量は光子のエネルギーを光速で割った値に等しくなります。光子のエネルギーが E であると仮定すると、光子 P (光) の運動量は E/C に等しくなります。運動量保存の原理によれば、箱の運動量は光子の運動量と同じで、方向が反対であるはずなので、P(box) も E/C に等しくなります。光子は光速で移動しますが、箱はどのくらいの速さで動いているでしょうか?計算は簡単です。箱の移動速度 V は、箱の運動量を箱の質量で割った値に等しくなります。つまり、V(箱) = P(箱) / M(箱) です。

上記の既知の部分に基づいて、次の結論を導き出すことができます: V(box)=P(box)/M(box)=E/M(box)C。

光子は箱の左側から始まり、箱の右側に移動します。光子が移動する距離は箱の長さに等しく、これを L とします。光子が移動する距離は明らかですが、箱はどのくらい移動するのでしょうか。箱が移動する距離は、箱の移動速度 V(box) と移動時間の積に等しくなります。箱の移動時間は光子の移動時間に等しく、光子の移動時間は移動距離 L を光速 C で割った値なので、箱の移動距離は V(box) に L/C を掛けたものに等しくなります。 V(box)はE/M(box)Cと表すことができるため、ボックスの移動距離はE/M(box)CにL/Cを掛けたもの、つまりEL/M(box)C∧2となります。

運動量保存の法則によれば、2 つの力の運動量は等しく、物体の運動量は物体の質量と速度の積に等しくなります。

この原理に基づいて、さらに一歩進んで、物体の質量とその速度の積が保存されるだけでなく、物体の質量とその移動距離の積も保存されるはずであることがわかります。この理論によれば、光子の質量 M(光) と移動距離 L の積は、箱の質量 M(箱) と箱の移動距離の積に等しくなるはずなので、次のように表すことができます: M(光)L=M(箱)X EL/M(箱)C∧2。この式を簡略化すると、E=M(light)C∧2 となります。この時点で、質量とエネルギーの方程式は証明されました。今ではもう疑う必要はありません。完全に充電された携帯電話は、空の携帯電話よりも重いのです。

詳細については、公式アカウントをフォローしてください：sunmonarch