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द्रव्यमान बनाम ऊर्जा
यह तुलना मास और एनर्जी के बीच के बुनियादी रिश्ते को गहराई से समझती है, और यह पता लगाती है कि क्लासिकल फ़िज़िक्स ने उन्हें अलग-अलग चीज़ों के तौर पर कैसे देखा, जबकि मॉडर्न रिलेटिविटी ने उन्हें एक ही फ़िज़िकल चीज़ के दो रूप के तौर पर दिखाया, जो इतिहास के सबसे मशहूर इक्वेशन से कंट्रोल होते हैं।
मुख्य बातें
मास और एनर्जी एक ही अंदरूनी फिजिकल प्रॉपर्टी को मापने के दो अलग-अलग तरीके हैं।
E=mc² मैटर को प्योर एनर्जी में बदलने के लिए सही एक्सचेंज रेट बताता है।
एनर्जी बिना रेस्ट मास (फोटॉन की तरह) के भी हो सकती है, लेकिन मास बिना एनर्जी के नहीं हो सकता।
अब कंजर्वेशन का नियम मास और एनर्जी के कुल जोड़ पर लागू होता है।
द्रव्यमान क्या है?
किसी चीज़ के एक्सेलरेशन के रेजिस्टेंस और उसके ग्रेविटेशनल पुल का एक माप।
SI इकाई: किलोग्राम (kg)
प्रकार: अदिश राशि
मुख्य गुण: जड़त्व
पता लगाना: गुरुत्वाकर्षण या जड़त्वीय बलों के ज़रिए
प्रकृति: ऊर्जा का केंद्रित रूप
ऊर्जा क्या है?
क्वांटिटेटिव प्रॉपर्टी जो किसी काम को करने के लिए किसी ऑब्जेक्ट में ट्रांसफर होनी चाहिए।
SI इकाई: जूल (J)
प्रकार: संरक्षित मात्रा
रूप: काइनेटिक, पोटेंशियल, थर्मल, वगैरह।
पता लगाना: काम, गर्मी या रेडिएशन के ज़रिए
प्रकृति: बदलाव लाने की क्षमता
तुलना तालिका
विशेषता
द्रव्यमान
ऊर्जा
परिभाषा
पदार्थ की मात्रा या गति के प्रति प्रतिरोध
कार्य करने या ऊष्मा प्रदान करने की क्षमता
भौतिक राज्य
ठोस; जगह घेरता है
अमूर्त; राज्य की संपत्ति
संरक्षण कानून
शास्त्रीय यांत्रिकी में संरक्षित
शास्त्रीय यांत्रिकी में संरक्षित
सापेक्षवादी दृष्टिकोण
गति के साथ बदलता है (सापेक्ष द्रव्यमान)
E=mc² के माध्यम से द्रव्यमान के बराबर
मापन विधि
तराजू, संतुलन, या कक्षीय यांत्रिकी
कैलोरीमीटर, फोटोमीटर, या गणनाएँ
गुरुत्वाकर्षण में भूमिका
स्पेसटाइम वक्रता का प्राथमिक स्रोत
स्ट्रेस-एनर्जी टेंसर के हिस्से के तौर पर ग्रेविटी में योगदान देता है
विस्तृत तुलना
पहचान संकट
न्यूटनियन फ़िज़िक्स में, मास और एनर्जी को यूनिवर्स के बिल्कुल अलग-अलग बिल्डिंग ब्लॉक्स माना जाता था। मास वह 'स्टफ़' था जिससे चीज़ें बनी थीं, जबकि एनर्जी वह 'फ़्यूल' थी जिससे वे चलती थीं; हालाँकि, आइंस्टीन के स्पेशल रिलेटिविटी ने साबित किया कि मास असल में एनर्जी का एक बहुत घना और सीमित रूप है।
तुल्यता का स्थिरांक
मास और एनर्जी के बीच ट्रांज़िशन, लाइट की स्पीड के स्क्वायर से होता है। क्योंकि लाइट की स्पीड एक बहुत बड़ी संख्या है (लगभग 300,000,000 मीटर प्रति सेकंड), इसलिए मास की थोड़ी सी मात्रा भी रिलीज़ होने पर बहुत ज़्यादा पोटेंशियल एनर्जी दिखाती है।
गुरुत्वाकर्षण प्रभाव
पारंपरिक तौर पर मास को ग्रेविटी का सोर्स माना जाता है, लेकिन जनरल रिलेटिविटी यह साफ़ करती है कि सभी एनर्जी में ग्रेविटेशनल असर होता है। जबकि ग्रहों जैसी बड़ी चीज़ें हमारी लोकल ग्रेविटी पर हावी होती हैं, रेडिएशन या प्रेशर की एनर्जी डेंसिटी भी स्पेसटाइम के मुड़ने में योगदान देती है।
व्यवहार में परिवर्तन
हम न्यूक्लियर रिएक्शन में मास को एनर्जी में बदलते हुए देखते हैं, जहाँ प्रोडक्ट का वज़न रिएक्टेंट से थोड़ा कम होता है, और 'मिसिंग' मास हीट और रेडिएशन के रूप में निकलता है। इसके उलट, हाई-एनर्जी पार्टिकल एक्सेलरेटर में, प्योर काइनेटिक एनर्जी को नए सबएटॉमिक पार्टिकल के मास में बदला जा सकता है।
लाभ और हानि
द्रव्यमान
लाभ
+आसानी से मापने योग्य
+स्थिरता प्रदान करता है
+गुरुत्वाकर्षण का स्रोत
+भौतिक आकार को परिभाषित करता है
सहमत
−गति को प्रतिबंधित करता है
−चलने के लिए ऊर्जा की ज़रूरत होती है
−उच्च गति पर बढ़ता है
−विखंडन में नष्ट किया जा सकता है
ऊर्जा
लाभ
+सभी परिवर्तन को प्रेरित करता है
+बहु-बहुमुखी रूप
+प्रकाश की गति से यात्रा कर सकता है
+कुशलतापूर्वक संग्रहीत
सहमत
−नियंत्रित करना कठिन
−हमेशा गर्मी के रूप में फैल जाता है
−इंद्रियों के लिए अदृश्य
−स्टोरेज के लिए मास की ज़रूरत होती है
सामान्य भ्रांतियाँ
मिथ
मास और मैटर बिल्कुल एक ही चीज़ हैं।
वास्तविकता
मैटर का मतलब एटम और पार्टिकल्स से है, जबकि मास उनकी एक प्रॉपर्टी है; एनर्जी में भी मास होता है, इसीलिए एक गर्म चीज़ का वज़न असल में एक ठंडी चीज़ से थोड़ा ज़्यादा होता है, भले ही अंतर इतना छोटा हो कि उसे मापा न जा सके।
मिथ
एनर्जी एक वज़न रहित चीज़ है जो तारों से बहती है।
वास्तविकता
एनर्जी कोई चीज़ नहीं है, बल्कि किसी चीज़ या सिस्टम की प्रॉपर्टी है। इसका एक जुड़ा हुआ मास इक्विवेलेंट होता है, हालांकि यह रोज़ाना के इलेक्ट्रिकल या थर्मल प्रोसेस के लिए बहुत छोटा होता है।
मिथ
न्यूक्लियर धमाके में मास नष्ट हो जाता है।
वास्तविकता
मास उतना खत्म नहीं होता जितना कि उसे फिर से अरेंज किया जाता है; जो एनर्जी न्यूक्लियस को एक साथ जोड़े हुए थी, वह रिलीज़ हो जाती है, और क्योंकि उस बाइंडिंग एनर्जी में मास था, इसलिए बने हुए टुकड़े हल्के दिखते हैं।
मिथ
फोटॉन (प्रकाश) में मास होता है क्योंकि उनमें एनर्जी होती है।
वास्तविकता
फोटॉन का 'रेस्ट मास' ज़ीरो होता है, जिसका मतलब है कि वे रुके हुए नहीं रह सकते। हालांकि, उनमें 'रिलेटिविस्टिक मास' और मोमेंटम होता है क्योंकि उनमें एनर्जी होती है, जिससे वे प्रेशर डाल पाते हैं और ग्रेविटी से प्रभावित हो सकते हैं।
अक्सर पूछे जाने वाले सवाल
E=mc² को समझने का सबसे आसान तरीका क्या है?
इसका मतलब है कि मास, एनर्जी का एक बहुत ही कंसन्ट्रेटेड वर्शन है। 'c स्क्वेयर्ड' हिस्सा कन्वर्ज़न फैक्टर है, जो इतना बड़ा है कि एक पेपरक्लिप के मास में भी इतनी एनर्जी होती है कि अगर उसे पूरी तरह से कन्वर्ट किया जा सके, तो यह एक बड़े पावर प्लांट के पूरे दिन के आउटपुट के बराबर हो सकती है।
चार्ज होने पर बैटरी का वज़न ज़्यादा क्यों हो जाता है?
जब आप बैटरी चार्ज करते हैं, तो आप उसमें इलेक्ट्रिकल पोटेंशियल एनर्जी जोड़ रहे होते हैं। मास-एनर्जी इक्विवेलेंस के अनुसार, एनर्जी जोड़ने से सिस्टम का कुल मास बढ़ता है, हालांकि यह बढ़ोतरी लगभग 0.000000001 ग्राम होती है, जो किचन स्केल की सेंसिटिविटी से बहुत कम है।
क्या तेज़ चलने पर वज़न बढ़ता है?
मॉडर्न फ़िज़िक्स में, हम आम तौर पर कहते हैं कि 'रेस्ट मास' वही रहता है, लेकिन 'रिलेटिविस्टिक मास' या टोटल एनर्जी बढ़ जाती है। जैसे-जैसे आप लाइट की स्पीड के करीब पहुँचते हैं, चीज़ को तेज़ करने के लिए आप जो एनर्जी इस्तेमाल करते हैं, वह स्पीड के बजाय मास में बदल जाती है, इसीलिए आप असल में कभी भी लाइट की स्पीड तक नहीं पहुँच पाते।
न्यूक्लियर बम में एनर्जी कहाँ से आती है?
यह 'मास डिफेक्ट' से होता है। यूरेनियम जैसे भारी न्यूक्लियस में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इस तरह से एक साथ पैक होते हैं कि उन्हें छोटे एटम में अलग करने पर जितनी एनर्जी की ज़रूरत होती, उससे ज़्यादा एनर्जी की ज़रूरत होती है; जब एटम टूटता है, तो वह ज़्यादा 'बाइंडिंग एनर्जी' एक बड़े धमाके के रूप में निकलती है।
अगर एनर्जी में मास होता है, तो क्या लाइट में ग्रेविटी होती है?
हाँ, क्योंकि एनर्जी स्ट्रेस-एनर्जी टेंसर में योगदान देती है जो स्पेसटाइम को घुमाता है। जबकि लाइट की एक बीम का असर बहुत कम होता है, शुरुआती यूनिवर्स में एनर्जी/रेडिएशन की भारी मात्रा ने यूनिवर्स के फैलने और ग्रेविटी ने इसके स्ट्रक्चर को बनाने में बड़ी भूमिका निभाई।
क्या हम एनर्जी को वापस मास में बदल सकते हैं?
हाँ, पार्टिकल एक्सेलरेटर में ऐसा रेगुलर होता है। पार्टिकल्स को लगभग लाइट की स्पीड से एक-दूसरे से टकराने से, टक्कर की काइनेटिक एनर्जी पूरी तरह से नए पार्टिकल्स के मास में बदल जाती है, जैसे हिग्स बोसोन या टॉप क्वार्क्स, जो इम्पैक्ट से पहले मौजूद नहीं थे।
इनर्शियल मास और ग्रेविटेशनल मास में क्या अंतर है?
इनर्शियल मास यह है कि कोई चीज़ हिलने पर कितना विरोध करती है, जबकि ग्रेविटेशनल मास यह है कि वह दूसरी चीज़ों को कितना खींचती है। आइंस्टीन का इक्विवेलेंस प्रिंसिपल कहता है कि वे बिल्कुल एक जैसे हैं, यही वजह है कि सभी चीज़ें वैक्यूम में एक ही रफ़्तार से गिरती हैं, चाहे उनकी बनावट कुछ भी हो।
एक किलोग्राम मास में कितनी एनर्जी होती है?
E=mc² का इस्तेमाल करने पर, एक किलोग्राम मास 89,875,517,873,681,764 जूल के बराबर होता है। यह लगभग 21 मिलियन टन TNT जलाने से निकलने वाली एनर्जी या एक छोटे देश की कुल सालाना बिजली की खपत के बराबर है।
निर्णय
जब आपको किसी चीज़ का वज़न कैलकुलेट करना हो या उसे धकेलने में कितनी मुश्किल हो, तो उसके मास से उसे पहचानें। जब आपको उसकी मूवमेंट, टेम्परेचर या किसी प्रोसेस को फ्यूल देने की उसकी क्षमता की चिंता हो, तो उसकी एनर्जी को एनालाइज़ करें।