การได้มาของความสมมูลของมวลและพลังงาน ในระดับพื้นฐานและตรงไปตรงมาง่ายๆ

แปลโดยคุณราชัย  ประกอบการ


          การได้มาต่อไปนี้ของกฎของความสมมูล ซึ่งไม่ได้มีการตีพิมพ์มาก่อน มีข้อได้เปรียบเทียบสองข้อ  แม้ว่ามันใช้หลักการของสัมพัทธภาพพิเศษให้เป็นประโยชน์ มันไม่ได้อนุมานกลไกแบบเป็นทางการของทฤษฎีนี้แต่ใช้กฎที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไปที่มีมาก่อนสามกฏเท่านั้น  :

           (1.) กฎของการอนุรักษ์โมเมนตัม  (2.) นิพจน์เกี่ยวกับความดันของการแผ่รังสี หรือ อีกนัยหนึ่งคือ โมเมนตัมของภาวะเชิงซ้อน ของการแผ่รังสีที่เคลื่อนที่ในทิศทางที่คงที่  (3.)  นิพจน์ที่มีชื่อเสียงเกี่ยวกับความคลาดของแสง (อิทธิพลของการเคลื่อนที่ของโลกต่อตำแหน่งที่ตั้งปรากฏของดาวฤกษ์-แบรดลี)

           ตอนนี้เราพิจารณาระบบต่อไปนี้   ให้ตัววัตถุ  B  อยู่นิ่งอย่างอิสระในอวกาศเทียบกับระบบ K0  สองสภาวะเชิงซ้อนของการแผ่รังสี S , S’  แต่ละสภาวะมีพลังงาน E/2 เคลื่อนที่ในทิศทางบวกและลบ x0    
                                
           ตามลำดับ และในที่สุดถูกดูดกลืนโดย  B   ด้วยการดูดกลืนนี้พลังงานของ  B  เพิ่มขึ้น  E    ตัววัตถุ  B  หยุดนิ่งเทียบกับ K0  เนื่องจากลักษณะสมมาตร
                                            
           ตอนนี้เราพิจารณากระบวนการเดียวกันนี้ เทียบกับระบบ  K   ซึ่งเคลื่อนที่เทียบกับ K0 ด้วยความเร็วคงตัว v ในทิศทางลบ  Z0  เทียบกับ  K  คำอธิบายเกี่ยวกับกระบวนการนี้คือดังต่อไปนี้:
                                 
           ตัววัตถุ  B  เคลื่อนที่ในทิศทางบวก Z  ด้วยความเร็ว  v   ตอนนี้ภาวะเชิงซ้อนทั้งสองของการแผ่รังสีมีทิศทางเทียบกับ  K  ซึ่งทำมุม   กับแกน x  กฎของความคลาดระบุว่าในการประมาณที่หนึ่ง  = v / c ที่ซึ่ง c เป็นความเร็วของแสง  จากการพิจารณาเทียบกับ K0 เรารู้ว่าความเร็ว v ของ B  ยังไม่มีการเปลี่ยนแปลงโดยการดูดกลืน S  และ  S’
                                            
ตอนนี้เราประยุกต์ กฎของการอนุรักษ์ โมเมนตัมเทียบกับทิศทาง Z ไปใช้กับระบบของเราในกรอบ - พิกัด

           1. ก่อนการดูดกลืน  ให้  M   เป็นมวลของ  B  ; ถ้าอย่างนั้น Mv  เป็นนิพจน์ของโมเมนตัมของ  B  (ตามกลศาสตร์แบบบฉบับ)   ภาวะเชิงซ้อนแต่ละภาวะมีพลังงาน E/2 และด้วยเหตุนี้ โดยข้อสรุปที่มีชื่อเสียงของทฤษฎีของ แมกซ์เวลล์  มันมีโมเมนตัม  E/2c  พูดกันอย่างเอาจริงเอาจังนี่เป็นโมเมนตัมของ  S  เทียบกับ K0  แต่ว่าเมื่อ  v  มีค่าน้อย เทียบกับ c โมเมนตัมเทียบกับ K เหมือนกัน ยกเว้นปริมาณของอันดับขนาดที่สอง (  v2  / c2 ถ้าเทียบกับ 1)   ส่วนประกอบ  Z ของโมเมนตัมนี้คือ  Esin / 2c  หรือด้วยความถูกต้องแม่นยำพอ  (ยกเว้นปริมาณที่มีอันดับขนาดสูงกว่า) E / 2c     หรือ  Ev / 2c2  ดังนั้น  S  และ  S’ รวมกันมีโมเมนตัม  Ev / c2  ในทิศทาง  Z  ดังนั้นโมเมนตัมทั้งหมดของระบบนี้ก่อนการดูดกลืนคือ     Mv + Ev / c2

           2.หลังจากการดูดกลืน  ให้ M’  เป็นมวลของ  B   ตรงนี้เราคาดสิ่งที่น่าจะเกิดขึ้นได้ว่ามวลเพิ่มขึ้นด้วยการดูดกลืนพลังงาน  E  (นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ผลลัพธ์สุดท้ายของการพิจารณาของเราตรงกัน)   ถ้าอย่างนั้นโมเมนตัมของระบบนี้หลังการดูดกลืน คือ  M’v 

           ตอนนี้เราใช้กฎการอนุรักษ์ของโมเมนตัมและประยุกต์ใช้มันเทียบกับทิศทาง  Z  นี่จะให้สมการ

                                                               Mv + Ev / c2 =M’v
               หรือ                                            M’ – M = E/c2   

           สมการนี้บ่งบอกถึงกฎของความสมมูลของพลังงานและมวล     การเพิ่มขึ้นของพลังงาน  E  สัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของมวล  E / c2  เนื่องจากพลังงานตามคำนิยามปกติทิ้งให้ค่าคงตัวที่เพิ่ม เป็นอิสระ ดังนั้นเราอาจจะเลือกสิ่งที่เอ่ยถึงล่าสุดว่า
                                                               E = Mc2