fix problems with html output
[light-and-matter.git] / me / cl / b.rbtex
blob7bea77c6af8f7990ab09bef3cab142f6fab84456
1 <%
2   require "../eruby_util.rb"
3 %>
4 <%
5   chapter(
6     '12',
7     %q{Simplifying the Energy Zoo},
8     'ch:energy-zoo',
9     %q{Do these forms of energy have anything in common?},
10     {'opener'=>'energy-collage','width'=>'fullpage','anonymous'=>true}
11   )
15 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
16 __incl(text/clb)
17 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
18 <% begin_sec("E=mc$^2$",4,'mass-energy-equivalence',{'optional'=>true}) %>\index{mass!equivalent to energy}\index{energy!equivalent to mass}
20 In section \ref{sec:ultrarelativistic} we found the relativistic expression for kinetic energy
21 in the limiting case of an ultrarelativistic particle, i.e., one with a speed very
22 close to $c$: its energy is proportional
23 to the ``stretch factor'' of the Lorentz transformation, $s=\sqrt{(1+v)/(1-v)}$ (in units with $c=1$),
24 for $v\rightarrow+c$ and $1/s$ for $v\rightarrow-c$.
25 What about intermediate cases, like $v=c/2$?
28   fig(
29     'bell-jar',
30     %q{%
31       The match is lit inside the bell jar. It burns, and energy escapes from the jar
32       in the form of light. After it stops burning, all the same atoms are still in the
33       jar: none have entered or escaped. The figure shows the outcome expected before
34       relativity, which was that the mass measured on the balance would remain exactly the same.
35       This is not what happens in reality.
36     },
37     {
38       'width'=>'wide',   
39       'sidecaption'=>true
40     }
41   )
44 When we are forced to tinker with a time-honored theory, our first instinct should
45 always be to tinker as conservatively as possible. Although we've been forced to
46 admit that kinetic energy doesn't vary as $v^2/2$ at relativistic speeds,
47 the next most conservative thing we could do would be to assume that the \emph{only} change
48 necessary is to replace the factor of $v^2/2$ in the nonrelativistic expression for
49 kinetic energy with some other function, which would have to act like $s$ or $1/s$ for $v\rightarrow\pm c$. I suspect that
50 this is what Einstein thought when he completed his original paper on relativity in 1905,
51 because it wasn't until later that year that he published a second paper showing that this
52 still wasn't enough of a change to produce a working theory. We now know that there is
53 something more that needs to be changed about prerelativistic physics, and this is the
54 assumption that mass is only a property of material particles such as atoms (figure \figref{bell-jar}).
55 Call this the ``atoms-only hypothesis.''
57 Now that we know the correct relativistic way of finding the energy of a ray of
58 light, it turns out that we can use that to find what we were originally seeking,
59 which was the energy of a material object. The following discussion closely
60 follows Einstein's. 
62 Suppose that a material object O of mass $m_\zu{o}$,
63 initially at rest in a certain frame A, emits two rays of light, each with energy $E/2$. By
64 conservation of energy, the object must have lost an amount of energy equal to $E$.
65 By symmetry, O remains at rest.
67 We now switch to a different frame of reference B moving at some arbitrary speed
68 corresponding to a stretch factor $S$. The change of frames means that we're
69 chasing one ray, so that its energy is scaled down to $(E/2)S^{-1}$, while running
70 away from the other, whose energy gets boosted to $(E/2)S$. In frame B, as in A,
71 O retains the same speed after emission of the light. But observers in frames
72 A and B disagree on how much energy O has lost, the discrepancy being
73 \begin{equation*}
74   E\left[\frac{1}{2}(S+S^{-1})-1\right] \qquad .
75 \end{equation*}
76 Let's consider the case where B's velocity relative to A is small. Expanding the above 
77 expression in a Taylor series in $v$, the discrepancy in
78 O's energy loss is approximately
79 \begin{equation*}
80   \frac{1}{2}Ev^2/c^2 \qquad .
81 \end{equation*}
82 The interpretation is that when O reduced its energy by $E$ in order to make
83 the light rays, it reduced its \emph{mass} from $m_\zu{o}$ to $m_\zu{o}-m$,
84 where $m=E/c^2$. Rearranging factors, we have Einstein's famous
85 \begin{equation*}
86   E=mc^2 \qquad .
87 \end{equation*}
88 This derivation entailed an approximation, and redoing it without the approximation
89 entails some complexity.\footnote{See Ohanian, ``Einstein's $E=mc^2$ mistakes,'' \url{arxiv.org/abs/0805.1400}, 
90 and Jammer, Concepts of Mass in Contemporary Physics and Philosophy.}                              
91 It turns out, however, to be valid in general.
93 We find that mass is not simply a built-in property of the particles that
94 make up an object, with the object's mass being the sum of the masses of its particles.
95 Rather, mass and energy are equivalent, so that if the experiment of figure \figref{bell-jar} is
96 carried out with a sufficiently precise balance, the reading will drop because of
97 the mass equivalent of the energy emitted as light.
99 The equation $E=mc^2$
100 tells us how much energy is equivalent to how much mass: the conversion factor is the square
101 of the speed of light, $c$. Since $c$ a big number, you get a really really big number
102 when you multiply it by itself to get $c^2$. This means that even a small amount of mass
103 is equivalent to a very large amount of energy. Conversely, an ordinary amount of energy
104 corresponds to an extremely small mass, and this is why nobody detected the non-null
105 result of experiments like the one in figure \figref{bell-jar} hundreds of years ago.
107 The big event here is mass-energy equivalence, but we can also
108 harvest a result for the energy of a material particle moving at a certain speed. 
109 Plugging in $S=\sqrt{(1+v)/(1-v)}$ to the equation above
110 for the energy discrepancy of object O between frames A and B, we find $m(\gamma-1)c^2$. This is the
111 difference between O's energy in frame B and its energy when it is at rest, but since mass
112 and energy are equivalent, we assign it energy $mc^2$ when it is at rest. The result is that
113 the energy is
114 \begin{equation*}
115   E = m\gamma c^2 \qquad .
116 \end{equation*}
118 \pagebreak
120 \begin{eg}{Electron-positron annihilation}\index{positron}
121 Natural radioactivity in the earth produces positrons, which are like electrons but have the
122 opposite charge. A form of antimatter, positrons annihilate with electrons to produce gamma
123 rays, a form of high-frequency light. Such a process would have been considered impossible
124 before Einstein, because conservation of mass and energy were believed to be separate
125 principles, and this process eliminates 100\% of the original mass. The amount of energy
126 produced by annihilating 1 kg of matter with 1 kg of antimatter is
127 \begin{align*}
128  E &= mc^2\\
129    &= (2\ \kgunit)\left(3.0\times10^8\ \munit/\sunit\right)^2\\
130    &= 2\times10^{17}\ \junit \qquad ,
131 \end{align*}
132 which is on the same order of magnitude as a day's energy consumption for the
133 entire world's population!
135 Positron annihilation forms the basis for the medical imaging technique called
136 a PET (positron emission tomography) scan, in which a positron-emitting chemical
137 is injected into the patient and map\-ped by the emission of gamma rays from the parts
138 of the body where it accumulates.
139 \end{eg}
140 <% marg(140) %>
142   fig(
143     'pet',
144     %q{Top: A PET scanner. Middle: Each positron annihilates with an electron, producing two gamma-rays that fly off back-to-back.
145        When two gamma rays are observed simultaneously in the ring of detectors, they are assumed to come from the same
146        annihilation event, and the point at which they were emitted must lie on the line connecting the two detectors.
147        Bottom: A scan of a person's torso. The body has concentrated the radioactive tracer around the stomach, indicating
148        an abnormal medical condition.}
149   )
151 <% end_marg %>
153 \begin{eg}{A rusting nail}\label{eg:rustingnail}
154 \egquestion
155 An iron nail is left in a cup of water
156 until it turns entirely to rust. The energy released is
157 about 0.5 MJ. In theory, would a sufficiently
158 precise scale register a change in mass? If so, how much?
160 \eganswer
161  The energy will appear as heat, which will be lost
162 to the environment. The total mass-energy of the cup,
163 water, and iron will indeed be lessened by 0.5 MJ. (If it
164 had been perfectly insulated, there would have been no
165 change, since the heat energy would have been trapped in the
166 cup.) The speed of light is
167 $c=3\times10^8$ meters per second, so converting to mass units, we have
168 \begin{align*}
169                 m         &=    \frac{E}{c^2}  \\
170                         &= \frac{0.5\times10^6\ \junit}{\left(3\times10^8\ \munit/\sunit\right)^2} \\
171                          &=    6\times10^{-12}\  \text{kilograms}   \qquad   .
172 \end{align*}
173 The change in mass is too small to measure with any
174 practical technique. This is because the square of the speed
175 of light is such a large number.
176 \end{eg}
178 \begin{eg}{Gravity bending light}\label{eg:eclipse}
179 Gravity is a universal attraction between things that have mass, and since the energy
180 in a beam of light is equivalent to some very small amount of mass, we expect that
181 light will be affected by gravity, although the effect should be very small.
182 The first important experimental confirmation of relativity
183 came in 1919 when stars next to the sun during a solar eclipse were
184 observed to have shifted a little from their ordinary
185 position. (If there was no eclipse, the glare of the sun
186 would prevent the stars from being observed.) Starlight had
187 been deflected by the sun's gravity. Figure \figref{eclipse} is a
188 photographic negative, so the circle that appears bright is actually the
189 dark face of the moon, and the dark area is really the bright corona of
190 the sun. The stars, marked by lines above and below them, appeared at
191 positions slightly different than their normal ones.
192 \end{eg}
193 <% marg(90) %>
195   fig(
196     'newspaper-eclipse',
197     %q{%
198       A New York Times headline from November 10, 1919, describing
199       the observations discussed in example \ref{eg:eclipse}.
200     }
201   )
203 <% end_marg %>
206   fig(
207     'eclipse',
208     %q{Example \ref{eg:eclipse}.},
209     {
210       'width'=>'wide'
211     }
212   )
215 \begin{eg}{Black holes}\index{black hole}
216 A star with sufficiently strong gravity can prevent light
217 from leaving. Quite a few black holes have been detected via
218 their gravitational forces on neighboring stars or clouds of gas and dust.
219 \end{eg}
222 <% end_sec() %> % E=mc$^2$
224 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
225 __incl(text/energy_zoo_summary)
226 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
228 <% begin_hw_sec %>
230 <% begin_hw('maxkepe') %>__incl(hw/maxkepe)<% end_hw() %>
232 <% begin_hw('throw-down-and-up') %>__incl(hw/throw-down-and-up)<% end_hw() %> 
234 <% begin_hw('negativepe') %>__incl(hw/negativepe)<% end_hw() %>
236 <% begin_hw('slidingmagnets') %>
237 (a) You release a magnet on a tabletop near a big piece
238 of iron, and the magnet slides across the table to the iron.
239 Does the magnetic potential energy increase, or decrease?
240 Explain. \hwendpart
241 (b) Suppose instead that you have two repelling
242 magnets. You give them an initial push towards each other,
243 so they decelerate while approaching each other. Does the
244 magnetic potential energy increase or decrease? Explain.
246 <% end_hw() %>
248 <% begin_hw('boilbucket') %>__incl(hw/boilbucket)<% end_hw() %>
250 <% begin_hw('grasshopper') %>
251 <% hw_solution %> A grasshopper with a mass of 110 mg falls from rest
252 from a height of 310 cm. On the way down, it dissipates 1.1
253 mJ of heat due to air resistance. At what speed, in m/s,
254 does it hit the ground?
255 <% end_hw() %>
257 \pagebreak
259 <% begin_hw('two-gases-leaking') %>__incl(hw/two-gases-leaking)<% end_hw() %>
261 <% begin_hw('bikeloop') %>__incl(hw/bikeloop)<% end_hw() %>
263 <% begin_hw('rolling-hoop',2) %>Problem \ref{hw:rolling-hoop} has been deleted.<% end_hw() %>
265 <% begin_hw('pe-ke-yin-yang') %>__incl(hw/pe-ke-yin-yang)<% end_hw() %>
267 <% begin_hw('honeymoon') %>__incl(hw/honeymoon)<% end_hw() %>
269 <% begin_hw('niagara-hydroelectric') %>__incl(hw/niagara-hydroelectric)<% end_hw() %>
271 \pagebreak
273 <% begin_hw('heliumcylinder') %>__incl(hw/heliumcylinder)<% end_hw() %>
275 <% begin_hw('sweat') %>__incl(hw/sweat)<% end_hw() %>
277 <% begin_hw('hoop',2) %>__incl(hw/hoop)<% end_hw() %> 
279 <% marg(50) %>
280 <% fig('skater-rolls-off-pipe','Problem \ref{hw:skater-rolls-off-pipe}.') %>
281 <% end_marg %>
282 <% begin_hw('skater-rolls-off-pipe',2) %>__incl(hw/skater-rolls-off-pipe)<% end_hw() %>
284 <% begin_hw('enterprise-ke') %>__incl(../../share/relativity/hw/enterprise-ke)<% end_hw() %>
286 <% begin_hw('freeneutron') %>__incl(../../share/relativity/hw/freeneutron)<% end_hw() %>
288 \vfill
290 <% begin_hw('jack-on-hill',2) %>__incl(hw/jack-on-hill)<% end_hw() %>
292 \pagebreak
294 <% marg(0) %>
296   fig(
297     'hw-atwood',
298     %q{Problem \ref{hw:atwood-energy}.},
299     {'suffix'=>'2'}
300   )
302 <% end_marg %>
304 <% begin_hw('atwood-energy') %>__incl(hw/atwood-energy)<% end_hw() %>
306 <% end_hw_sec %>
308  %%========================================== toc decoration ===============================================
310 <% if false then figure_in_toc("baseball-pitch") end %>
311 <% end_chapter() %>