Ο νόμος της διατήρησης της μάζας - Τοντ Ράμσεϋ

Παρακολουθήστε ολόκληρο το μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/the-law-of-conservation-of-mass-todd-ramsey

Τα πάντα στο σύμπαν μας έχουν μάζα - από το μικρότερο άτομο ως το μεγαλύτερο άστρο. Αλλά η ποσότητα της μάζας διατηρείται σταθερή ακόμα και κατά τη διάρκεια της γέννησης και του θανάτου των άστρων, των πλανητών και εσάς. Πώς μπορεί το σύμπαν να μεγαλώνει, ενώ η μάζα του διατηρείται; Ο Τοντ Ράμσεϋ απαντάει σε αυτήν την ερώτηση αναλύοντας τον νόμο της διατήρησης της μάζας.

Μάθημα του Τοντ Ράμσεϋ, γρφική απεικόνιση της Vegso/Banyai.

Από πού προέρχονται όλα αυτά;

Αυτή η πέτρα;

Αυτή η αγελάδα;

Η καρδιά σας;

Προφανώς δεν εννοούμε τα ίδια
τα αντικείμενα, αλλά τα συστατικά τους:

τα άτομα που συνθέτουν τα πάντα.

Για να απαντήσουμε αυτήν την ερώτηση,

θα κοιτάξουμε τον νόμο
της διατήρησης της μάζας.

Αυτός ο νόμος μας λέει να πάρουμε
ένα απομονωμένο σύστημα,

καθορισμένο από ένα όριο που η ύλη
και η ενέργεια δεν μπορούν να διαπεράσουν.

Μέσα σε αυτό το σύστημα, η μάζα,
δηλαδή η ύλη και η ενέργεια,

δεν μπορούν ούτε να δημιουργηθούν,
ούτε να καταστραφούν.

Το σύμπαν, απ' όσο γνωρίζουμε,

είναι ένα απομονωμένο σύστημα.

Αλλά πριν φτάσουμε σε αυτό, ας κοιτάξουμε
ένα πολύ πιο μικρό και απλό παράδειγμα.

Εδώ έχουμε 6 άτομα άνθρακα,
12 άτομα υδρογόνου,

και 18 άτομα οξυγόνου.

Με λίγη ενέργεια, τα μόριά μας
μπορούν να αρχίσουν να κινούνται.

Αυτά τα άτομα μπορούν να ενωθούν
για να σχηματίσουν τα γνωστά μας μόρια.

Εδώ είναι το νερό,

και εδώ το διοξείδιο του άνθρακα.

Δεν μπορούμε να δημιουργήσουμε
ή να καταστρέψουμε μάζα.

Είμαστε περιορισμένοι σε αυτά
που έχουμε, οπότε τι να κάνουμε;

Α, έχουν δική τους βούληση.

Για να δούμε.

Σχημάτισαν κι άλλο διοξείδιο του άνθρακα
και νερό, έξι από το καθένα.

Προσθέστε λίγη ενέργεια,
και μπορούμε να τα κάνουμε

να ανακατανεμηθούν σε ένα απλό
σάκχαρο και λίγο αέριο οξυγόνο.

Τα άτομά μας είναι συνολικά: 6 άνθρακες,
12 υδρογόνα, και 18 οξυγόνα.

Η ενέργεια που εφαρμόσαμε

είναι τώρα αποθηκευμένη
στους δεσμούς ανάμεσα στα άτομα.

Μπορούμε να απελευθερώσουμε
αυτήν την ενέργεια

με το σπάσιμο του σακχάρου
πίσω σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα,

αλλά και πάλι, στα ίδια άτομα.

Ας βάλουμε στην άκρη μερικά από τα άτομα,
και ας δοκιμάσουμε κάτι πιο εκρηκτικό.

Αυτό εδώ είναι το μεθάνιο,

κυρίως συσχετισμένο με τον αέρια
από το παχύ έντερο των αγελάδων,

αλλά που χρησιμοποιείται
και ως καύσιμο πυραύλων.

Εάν προσθέσουμε οξυγόνο και λίγη ενέργεια,

όπως αυτή που θα παίρνατε
από ένα αναμμένο σπίρτο,

τότε καίγεται σε διοξείδιο του άνθρακα,
νερό, και περισσότερη ενέργεια.

Προσέξτε πως το μεθάνιο
ξεκίνησε με τέσσερα υδρογόνα,

και στο τέλος έχουμε ακόμα τέσσερα
υδρογόνα, παγιδευμένα σε δύο μόρια νερού.

Για το μεγάλο φινάλε,
ορίστε και το προπάνιο,

άλλο ένα εύφλεκτο αέριο.

Προσθέτουμε οξυγόνο,
το ανάβουμε, και μπαμ:

κι άλλο νερό και διοξείδιο του άνθρακα.

Αυτή τη φορά παίρνουμε
τρία μόρια διοξειδίου του άνθρακα,

διότι τα μόρια του προπανίου
άρχισαν με τρία άτομα άνθρακα,

και δεν έχουν πού αλλού να πάνε.

Υπάρχουν πολλές ακόμα αντιδράσεις

που μπορούμε να αναπαραστήσουμε
μ' αυτό το μικρό σύνολο ατόμων,

και ο νόμος διατήρησης
της μάζας ισχύει πάντα.

Όση ύλη και ενέργεια μπαίνει
στη χημική αντίδραση,

άλλη τόση υπάρχει και όταν
η αντίδραση ολοκληρωθεί.

Άρα αν η μάζα δεν μπορεί
να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί,

από πού προήλθαν αυτά τα άτομα εξαρχής;

Ας γυρίσουμε το ρολόι
προς τα πίσω για να δούμε.

Πιο πίσω, πιο πίσω, πιο πίσω, πολύ πίσω.

Ωραία, εδώ είμαστε.

Η Μεγάλη Έκρηξη.

Το υδρογόνο μας σχηματίστηκε
από μια σούπα σωματιδίων υψηλής ενέργειας

μέσα στα τρία λεπτά που ακολούθησαν
τη γέννηση του σύμπαντός μας.

Εν τέλει, ομάδες από άτομα
μαζεύτηκαν και σχημάτισαν τα άστρα.

Μέσα σε αυτά τα άστρα,

πυρηνικές αντιδράσεις
συγχώνεψαν τα ελαφρά στοιχεία,

όπως το υδρογόνο και το ήλιο,

για να σχηματίσουν βαρύτερα σωματίδια,
όπως τον άνθρακα και το οξυγόνο.

Με μια πρώτη ματιά, αυτές οι αντιδράσεις
φαίνεται να μην υπακούν τον νόμο,

επειδή απελευθερώνουν
μια τεράστια ποσότητα ενέργειας,

φαινομενικά από το πουθενά.

Εντούτοις, χάρη στη διάσημη
εξίσωση του Αϊνστάιν,

γνωρίζουμε ότι η ενέργεια
ισοδυναμεί με τη μάζα.

Αποδεικνύεται ότι η συνολική
μάζα των αρχικών ατόμων

είναι λίγο μεγαλύτερη
από τη μάζα των προϊόντων,

και αυτή η απώλεια ενέργειας ισοδυναμεί
πλήρως με την αποκτηθείσα ενέργεια,

η οποία εκπέμπεται από τα άστρα ως φως,
θερμότητα και ενεργητικά σωματίδια.

Στο τέλος, αυτό το άστρο
έγινε ένας υπερκαινοφανής

και τα στοιχεία του
διασκορπίστηκαν στο διάστημα.

Εν ολίγοις, συναντήθηκαν με άτομα
από άλλους υπερκαινοφανείς,

σχημάτισαν τη Γη,

και 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα
μαζεύτηκαν για να παίξουν τον ρόλο τους

στο μικρό απομονωμένο σύστημά μας.

Αλλά δεν έχουν τόσο ενδιαφέρον
όσο τα άτομα που σχηματίζουν εσάς,

ή εκείνη την αγελάδα,

ή αυτή την πέτρα.

Και αυτό γιατί, σύμφωνα
με τα περίφημα λόγια του Καρλ Σαγκάν,

είμαστε όλοι φτιαγμένοι από αστρικό υλικό.