Dies wird unweigerlich eine unbefriedigende Antwort sein, da Ihre Frage weitaus komplizierter ist, als Sie (wahrscheinlich) erkennen. Ich werde versuchen, eine allgemeine Antwort zu finden, aber Sie müssen verstehen, dass dies ein blasser Schatten der Physik ist, die diesen Bereich beschreibt.

Wie auch immer, Einstein war der erste, der feststellte, dass Energie und Masse gleichwertig waren. und Sie haben zweifellos von seiner berühmten Gleichung $ E = mc ^ 2 $ gehört. Heutzutage schreiben wir dies als:

$$ E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4 $$

wobei $ p $ der Impuls und $ m ist $ ist die Restmasse. Die Relativitätstheorie erklärt jedoch nicht, wie Materie und Energie ausgetauscht werden können. Das musste mehrere Jahrzehnte auf die Entwicklung der Quantenfeldtheorie (kurz QFT) warten.

Wenn Sie noch nie auf QFT gestoßen sind, wird Ihnen dies als eine sehr seltsame Sichtweise erscheinen auf der Welt. Wir sind es gewohnt, Teilchen wie Elektronen als Objekte zu betrachten, ähnlich wie makroskopische Objekte, nur kleiner und unschärfer. In der QFT gibt es jedoch ein Elektronenfeld, das das gesamte Universum durchdringt, und was wir als Elektron betrachten, ist eine Anregung in diesem Feld. In ähnlicher Weise gibt es ein Photonenfeld, und Photonen sind Anregungen im Photonenfeld. Tatsächlich sind alle Elementarteilchen Anregungen in ihrem entsprechenden Quantenfeld.

QFT erklärt die Umwandlung von Materie in Energie, da Sie beispielsweise dem Elektronenfeld Energie hinzufügen können, um es anzuregen und dadurch ein Elektron zu erzeugen. Alternativ kann eine Anregung im Elektronenfeld, d. H. Ein Elektron, verschwinden, indem Energie auf etwas anderes übertragen wird. So treffen beispielsweise im Large Hadron Collider zwei Quarks auf enorme kinetische Energien und können einen Teil dieser Energie in Anregungen verschiedener Quantenfelder umwandeln, um einen Schauer von Partikeln zu erzeugen.

Aber das kann nicht so passieren, wie es Ihnen gefällt. QFT gibt uns die Gleichungen, um zu beschreiben, wie die kinetische Energie von Teilchen Quantenfelder anregen und dadurch Materie erzeugen kann. Um auf Ihre Frage zurückzukommen, kann Masse nicht einfach weiter in Energie umgewandelt werden. Quantenfeldanregungen treten nur auf spezifische Weise auf, die durch die Quantenfeldtheorie beschrieben werden.

Und ich denke, es geht um alles, was auf dieser Ebene gesagt werden kann.

Erstens ist Masse Energie. Es gibt überhaupt keinen Unterschied. Nicht die gesamte "Masse" eines Atoms stammt von Protonen / Neutronen / Elektronen, zum Beispiel gibt es einen Teil, der aus potentieller Energie stammt - dieser Teil dominiert tatsächlich die Masse der Bestandteile.

Allerdings können wir Ihre Frage so umformulieren: "Was hindert Nukleonen daran, sich in andere Energieformen zu verwandeln?"

Die Frage ist tatsächlich umgekehrt: Warum sollte sich die Masse ändern wollen ? ? Die meisten Änderungen in der Physik erfordern einen Impuls; eine Potentialdifferenz oder ähnliches. Hier gibt es a priori nichts davon.

Zusätzlich gibt es für diese Übergänge von Masse zu Energie normalerweise hochenergetische Übergangszustände, wie bei chemischen Reaktionen:

Um das Endprodukt zu erreichen, muss genügend Energie bereitgestellt werden, um den Übergangszustand zu erreichen und zu überwinden. Ein Beispiel hierfür ist die Kernfusion: Um den Endzustand zu erreichen, muss man zuerst die Kerne nahe genug bringen, was einen erheblichen Energieeintrag erfordert.

Nukleonen allein haben sehr lange Halbwertszeiten Sie können in andere Teilchen und Energie zerfallen, dies wird nicht gesehen. Die meisten anderen Teilchen haben jedoch kurze Halbwertszeiten und nichts hindert sie daran, schnell in "Energie" zu zerfallen.

Ich verstehe, dass sich Energie und Masse laut Einstein hin und her ändern können. Es ist flüssig; es kann von einem zum anderen gehen. Was hält die Masse davon ab, sich nur in Energie umzuwandeln? Gibt es eine Kraft, die ein subatomares Teilchen zusammenhält? Was hält die Masse in ihrem Zustand?

OK, hier ist die Version des Experimentators:

Die berühmte allgemeine Verbindung von Energie zu Masse, wenn weiter analysiert wird zeigt, dass es für Elementarteilchen ein konstantes $ m $ gibt, das als Ruhemasse bezeichnet wird: die Masse, wenn sich das Teilchen nicht bewegt.

$$ E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4 $$

Wir haben diese Äquivalenz der Massenenergie unzählige Male beobachtet und gemessen. Wir haben die Elementarteilchen nach ihrer Ruhemasse in einem sehr eleganten Modell organisiert, das die Daten beschreibt und als Standardmodell bezeichnet wird. Alle Massen, die wir von Kernen bis zu Sternen beobachten, bestehen aus diesen Elementarteilchen in hierarchischer Reihenfolge, wodurch immer größere Massen entstehen, je größer das Ensemble ist, die auf den obigen Energiegleichungen basieren.

Die Nukleonen, bestehend aus Quarks und Gluonen, die Kerne, die aus Nukleonen (Protonen und Neutronen) bestehen, die Atome, die aus Nukleonen und Elektronen bestehen, sind alle stabil (Nukleonen können instabile Isotope haben) und bilden die Grundlage für die makroskopische Stabilität von Massen, die wir in der beschriebenen makroskopischen Welt beobachten durch die klassische Physik.

Was verhindert, dass das Atom zu einer neutralen Kugel aus Masse / Energie zusammenbricht, was ergibt die komplizierten spektroskopischen Muster von Atomspektren? Die Quantisierungstheorie entstand, um diese Daten zu erklären, und entwickelte sich im Gegensatz zur klassischen Mechanik zur Quantenmechanik. Ein grundlegendes Ergebnis der theoretischen Modellierung ist, dass nur quantisierte Energiezustände existieren können und die Elektronen nicht auf den Kern fallen können, da dies kein zulässiger Energiezustand ist.

Quantisierung erklärt das Periodensystem der Elemente: Protonen und Neutronen kollabieren aufgrund der durch die Quantisierung zugelassenen stabilen Energieniveaus nicht zu einem Energieball.

Zusätzlich sind die Elementarteilchen eindeutig durch Quantenzahlen gekennzeichnet. Es wurde experimentell beobachtet, dass viele davon in Wechselwirkungen konserviert sind. Daher existieren zusätzliche verbotene Regeln für die Transformation zwischen Energie und Masse aus Erhaltungsgesetzen und Quantenzahlerhaltungsgesetzen.

Die Stabilität des Zusammenspiels von Masse und Energie, das wir in der makroskopischen Welt beobachten, ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen Erhaltungsgesetze und Energieimpulserhaltung in den quantisierten mikroskopischen Systemen.

Keine Kraft, nur Erhaltungsregeln und erlaubte Zustände. Die Quarks im Proton können aufgrund der Quantenzahlerhaltung nicht verschwinden / ineinander kollabieren, sie tragen die Baryonenzahl 1/3 oder 2/3 und können sie niemals innerhalb des Protons verlieren, die Gesamtbaryonenzahl muss 1 bleiben. P. >

Es ist nicht so, dass sich Masse und Energie "hin und her verändern können". Sie sind buchstäblich äquivalente Arten, über dasselbe zu sprechen (vorausgesetzt, das Teilchen bewegt sich nicht). Wenn etwas Masse hat, dann auch als Energie und umgekehrt. Tatsächlich wird die Masse von Partikeln oft in Energieeinheiten angegeben.

Ihre Frage ähnelt der Frage: "Wenn etwas Geschwindigkeit hat, was hindert es daran, sich in Geschwindigkeit zu verwandeln?"

So wie ich es verstehe, kommt die gesamte Masse von der Kraft, die die Quarks miteinander verbindet, da der leere Raum nicht wirklich leer ist und im Falle eines Protons das Teilchen aus drei Quarks besteht, zwei nach oben und einer nach unten, die sie tatsächlich verbrauchen Energie, um einen leeren Raum zwischen ihnen zu schaffen, der nach "Gleichgewicht" sucht, und da die Energie, die diese Teilchen enthält, nicht einfach dahin geht, was wir Masse nennen, erklärt die Betrachtung der Materie auf diese Weise, wie Masse und Energie nur eine Sache sind wird aus zwei Perspektiven betrachtet, wobei das Gewicht (wirklich klein) der Quarks hinzugefügt wird, das durch die "Wechselwirkung" des Higgs-Feldes mit ihnen entsteht und betrachtet werden kann, als ob die Quarks metallische Kugeln wären und das Feld hergestellt wird von Honig, der die Kugeln nicht zum Stoppen bringt, aber sie gehen auch nicht auf Hochtouren ... hoffe, ich habe geholfen :)

Die einfache Antwort ist ein Wort ... Entropie! Es gibt zwei Arten von Entropie, die wir berücksichtigen müssen: 1) universell und 2) lokal.

universell - direkt nach dem Urknall gab es eine "Überfülle" an Energie, daher waren Materie und Energie " leicht "austauschbar. Energie wurde Materie und Materie wurde Energie. Als sich das Volumen des Universums ausdehnte, entwickelten sich lokale Abschnitte, in denen die verfügbare Energiemenge nicht ausreichte, um Materie wieder in Energie umzuwandeln. Daher begann Materie zu existieren und das Universum zu bevölkern, bis der größte Teil der Energie des Universums aufgebraucht war.

Lokal - Aufgrund der Schwerkraft gibt es mit der Zeit genügend lokale Materie, die miteinander verschmilzt und genug Energie erzeugt, um Materie wieder in Energie (Sterne) umzuwandeln. Da sich das Volumen des Universums jedoch weiter ausdehnt, wird dies der Fall sein Es ist eine Zeit, in der sich die Materie nicht ausreichend aggregieren kann, um diese Prosa wiederholen zu können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Energie benötigt wird, um Energie in Materie umzuwandeln, und Energie, um Materie in Energie umzuwandeln. Wenn die benötigte Energie nicht bereitgestellt wird, verwandelt sich Materie nicht "spontan" in Energie.