Если взять обычную пальчиковую батарейку из пульта от телевизора, и превратить ее в энергию, то точно такую же энергию можно получить от 250 миллиардов таких же батареек, если использовать их по-старинке. Не очень хороший получается КПД.
А то и означает, что масса и энергия - это одно и то же. То есть масса - это частный случай энергии. Энергию, заключенную в массе чего угодно, можно посчитать по этой простой формуле.
Скорость света - это очень много. Это 299 792 458 метров в секунду или, если вам так удобнее, 1 079 252 848,8 километров в час. Из-за этой большой величины получается, что если превратить чайный пакетик целиком в энергию, то этого хватит, чтобы вскипятить 350 миллиардов чайников.
У меня есть пара грамм вещества, где мне получить мою энергию?
Перевести всю массу предмета в энергию можно, только если вы где-нибудь найдете столько же антиматерии. А ее получить в домашних условиях проблематично , этот вариант отпадает.
Термоядерный синтез
Существует очень много природных термоядерных реакторов, вы можете их наблюдать, просто . Солнце и другие звезды - это и есть гигантские термоядерные реакторы.
Другой способ откусить от материи хоть сколько-то массы и превратить ее в энергию - это произвести термоядерный синтез . Берем два ядра водорода, сталкиваем их, получаем одно ядро гелия. Весь фокус в том, что масса двух ядер водорода немного больше, чем масса одного ядра гелия. Вот эта масса и превращается в энергию.
Но тут тоже не так все просто: ученые еще не научились поддерживать реакцию управляемого ядерного синтеза, промышленный термоядерный реактор фигурирует только в самых оптимистичных планах на середину этого столетия.
Ядерный распад
Ближе к реальности - реакция ядерного распада. Она вовсю используется в . Это когда два больших ядра атома распадаются на два маленьких. При такой реакции масса осколков получается меньше массы ядра, пропавшая масса и уходит в энергию.
Ядерный взрыв - это тоже ядерный распад, но неуправляемый, прекрасная иллюстрация этой формулы.
Горение
Превращение массы в энергию вы можете наблюдать прямо у вас в руках. Зажгите спичку - и вот она. При некоторых химических реакциях, например, горения, выделяется энергия от потери массы. Но она очень мала по сравнению с реакцией распада ядра, и вместо ядерного взрыва у вас в руках происходит просто горение спички.
Более того, когда вы поели, еда через сложные химические реакции благодаря мизерной потере массы отдает энергию, которую вы потом используете, чтобы сыграть в настольный теннис, ну или на диване перед телеком, чтобы поднять пульт и переключить канал.
Так что, когда вы едите бутерброд, часть его массы превратится в энергию по формуле E=mc 2 .
На противоположных полюсах воображаемого мира науки находятся крик «Эврика!» и формула E=mc 2 . Первый символизирует способности тела, явленные через собственное тело Архимеда, покрытое капельками воды; вторая же - способности духа. Ведь если Архимед мог переживать законы природы физически, то Эйнштейн есть - и в этом его сущность - чистый дух. Свой мозг он завешал медицинской науке, в то время как его прах в присутствии лишь самых близких ему людей был развеян по ветру. Дабы избегнуть скучных рассуждений о вместилище мысли и об иных внутренних органах ученых, равно как и о плавучести Архимеда, слепоте Галилея или о головных болях Ньютона, посчитаем достаточным признать, что человек-мозг - это старый миф, который удалось воплотить (?) в совершенстве Стивену Хокингу, скрюченному в инвалидном кресле-каталке символу легенды о притягательности великих умов: он развелся, чтобы жениться на своей бывшей сиделке. Согласно другому мифу, менее признанному, чистая мысль достижима лишь через небрежение телом, тело же должно нести на себе следы мысли. Разбирая один за одним все нейроны великого Альберта, как когда-то анализировали сетчатку Джона Дальтона (отсюда «дальтонизм»), надеются найти какую-то недостаточность или аномалию в нейронах, вроде отсутствия чувствительных к зеленому свету клеток в глазу Дальтона.
Это бесконечная и смехотворная деятельность, с привлечением сканеров и электронных микроскопов, стала заключительным аккордом в длинной серии подозрений и испытаний, которым подвергался Эйнштейн. Во время Первой мировой войны некоторые жаждущие реванша и враждебные к евреям французы неустанно подчеркивали его германо-иудейское происхождение; потом циничные наблюдатели говорили о снобизме, а терзаемые завистью ученые обвиняли теорию относительности в том, что она - чистая игра ума… пока не накопилось множество подтверждающих ее экспериментов. Тогда из Эйнштейна вознамерились сделать отца атомной бомбы - очевидно, за неспособностью быть отцом собственных детей, подло брошенных на произвол судьбы. Наконец, «искали женщину» - и нашли его первую любовь Милеву Марич, которой попытались приписать материнство теории относительности. Последний по счету эпизод связан с пущенным по салонам слухом, что Эйнштейн якобы был сумасшедшим, - это все объясняло, и мир смог вздохнуть с облегчением.
Почему же столько ненависти к нашему славному Альберту, не носившему носков, сторонившемуся светской жизни и превыше всего ставившему удовольствие покурить трубку в уголке у камина? Потому, что он посмел усомниться в очевидном. отказаться от самых надежных истин, укорененных в сознании обывателя, передававшихся от поколения к поколению так же исправно, как генетическая информация, истин, на которых зиждилась святая святых рациональной мысли. Взбаламутив материю и энергию, перемешав время с пространством, он подготовил все необходимое для подпиливания сука, на котором покоится (еле держится?) наше душевное здоровье. Если время не будет больше тем, чем было раньше, что же станет с нами? После этого Эйнштейн становится в обыденном подсознании врагом номер один, подлежащим уничтожению любой ценой. Он либо более злокознен, чем хочет казаться (настоящий Фауст-самозванец!), либо прибыл к нам с другой планеты (а его E=mc 2 звучит словно четыре ноты из «Контактов третьего типа»), либо безумец, коего удалось запереть до конца дней в Принстонском университете. В любом случае его необходимо было мистифицировать от головы до пят, включая его язык (высунутый), его мозг (расчлененный) и его формулу (магическую).
От Агу!=mc 2 к E=M6 через E=C-17 (голубые джинсы) и HP=Mc2 (предложения занятости) не счесть примеров славы знаменитой формулы, выражающей эквивалентность энергии и массы. Ролан Барт в «Мозге Эйнштейна» обнаруживает в ней архетип откровения:
Историческая формула E=mc 2 своей неожиданной простотой являет почти чистую идею ключа, голого, линейного, выполненного из цельного куска металла, с совершенно магической простотой открывающего дверь, в которую ломились на протяжении веков .
Однако успех формулы не был немедленным. Уравнение долгое время скрывалось в тени фразы «все относительно», вполне подходящей и намного более доступной для здравого смысла, и стало по-настоящему знаменитым только после того, как обнаружилась его подлинная мощь, а именно - его связь с бомбой, не зависящая от факта, что ни оно само, ни его автор никоим образом не причастны к ее созданию. Толчком к построению бомбы послужили открытие радиоактивности и выяснение структуры атома, а вовсе не теория относительности. Но нужно же было подобрать атомному апокалипсису соразмерную формулу и какого-нибудь падшего архангела на роль покровителя. Кастинг прошел быстро: по масштабу один Эйнштейнгодился на эту роль.
«Неожиданная простота» формулы явственно удвоилась эстетической привлекательностью. Хотя в целом уравнения кажутся отвратительными, отрицать изящество некоторых из них никто не станет. Да простит нас Ньютон, но в его f=Gmm"/r 2 привлекательности не много; U=RI уже лучше, только отдает паленым, а P=mg несколько тяжеловато . От Эйнштейна вполне бы сгодилась R ik =0 , прославляя одновременно и общую относительность, единодушно признанную самой красивой из физических теорий, да только тензор кривизны не поддается осмыслению непосвященных. А что такое масса и энергия, все на свете знают, или думают, что знают. E=mc 2 … Вот уравнение, источающее свет, и даже свет в квадрате! Не важно, что оно значит. Наверное E может быть энергией, излучаемой Солнцем, когда оно теряет массу m в ходе ядерной реакции, заставляющей его сиять, или энергией, выделенной в результате взрыва атомной бомбы, когда делящийся уран теряет свою массу. По правде говоря, лучше забыть это все и созерцать E=mc 2 как нечто в конечном итоге непостижимое. Важно лишь, что некое человеческое существо смогло получить доступ к подобному секрету.
Гипотеза об откровении несомненно интересна, но она в равной мере приложима к Ньютону или Леонардо да Винчи. Американский историк науки Джеральд Холтон, крупный специалист по Эйнштейну, предложил другую, менее общую. Из нее следует, что мысль Эйнштейна, гений которого состоял в умении обнаруживать ассимметрию в физических законах, разрешать парадоксы и объединять полярные противоположности, абсолютно неотделима от его личности, до крайности парадоксальной: он был одновременно мудрым старцем и озорным мальчишкой, общественным деятелем и отшельником, рационалистом и человеком, полагающимся на свою интуицию, атеистом и верующим. Он так и просится на роль эмблемы игры в мистификации, а любая его личина немедленно вызывает в уме другую, противоположную. С другой стороны, говорит нам Холтон, «его стиль жизни был скалькирован с законов природы». В самом деле, если Гийом (Уильям) Оккам (1285–1349) прославился благодаря своей бритве («не следует использовать больше сущностей. если можно обойтись их меньшим количеством»), то Эйнштейн ею брился: «Я бреюсь с мылом. Два мыла - это слишком сложно». В конце концов, Эйнштейн ничего не открывал, правильнее сказать - он не мог удержаться от открытий. Он был настолько естествен, что стоило ему погрузиться в себя, как природа раскрывала свои законы, методы и секреты, а старые полярности размывались, хотя мы могли бы с полным правом счесть их вечными: пространство и время оказывались чем-то единым, материя и энергия тоже. И тогда E=mc 2 оборачивается не чем иным, как математическим выражением личности, концентратом Эйнштейна (E йнштейн=mc 2 , и это выглядит правдоподобно, особенно если вспомнить, что у маленького Альберта довольно долго были проблемы с речью. Он заговорил очень поздно и всю жизнь потом испытывал трудности при выражении своих мыслей. По предположению самого Эйнштейна, этим, возможно, объясняется его талант к манипулированию понятиями, к игре с идеями и мысленными образами, к способности удивлять - бессознательно и не пытаясь их формулировать - новыми связями между ними. После своей E=mc 2 , необыкновенно эффективной, но непонятной, Эйнштейн предлагает поразмыслить над последней формулой: то, что хорошо задумано, не может быть выражено вовсе.
Примечания:
Получилось! (англ.)
Приведены цитаты из французской рекламы. M6 - музыкально-развлекательный телеканал, C-17 - американский военный самолет, базирующийся на авианосцах, HP - компьютерная фирма Hewlett-Packard, Mc2 - специализированное программное обеспечение. (Прим. перев.)
f=Gmm"/r 2 - формула закона всемирного тяготения; U=RI - закон Ома, связывающий напряжение, силу тока и сопротивление; P=mg - определение силы тяжести через ускорение свободного падения. (Прим. перев.)
«... никакой эквивалентности энергии и массы
как принципа не может быть»
Акад. РАН А.А. Логунов. 31 авг. 2011
Человек с форума утверждает, что «Е=mc2 - просто дурацкая формула. Она может ещё быть применима к самым мощным взрывчатым веществам- к урану. Но ежу понятно, что камень, или кусок дерева, или вода никогда не выдадут такой энергии». В самом деле, с точки зрения этой известной всем формулы 1 кГ превосходного антрацита, например, содержит столько же энергии сколько и 1 кГ золы – абсурд!
Формула Е= kМc2 была получена Н.А. Умовым ещё за 32 года до Эйнштейна . Коэффициент k изменялся от 0.5 до 1. Дж. Дж. Томсон в 1881 г. нашел величину k = 4/3 . О. Хевисайд, исходя из теории Максвелла, нашёл k = 1 . Эйнштейн в СТО, постулируя уравнение E = pv – L, обобщил эту формулу «на все случаи жизни» – на все формы энергии и явления природы. Применение рассматриваемой формулы для процессов излучения обосновано правомерно, а вот использование её для расчёта энергии произвольной системы подвергается сомнению.
Рассмотрим эту проблему более детально и на базе самой современной официальной физики . Она, право, уже давно... того стоит.
1. Термины и определения
Инерция процесса – свойство процесса сопротивляться изменению состояния.
СТО – специальная теория относительности А. Эйнштейна.
ТНП – термодинамика необратимых процессов.
энергодинамика – наука об общих закономерностях процессов переноса и преобразования энергии безотносительно к принадлежности этих процессов к той или иной области знания (http://www.physicalsystems.org/index02.13.html).
энергия – специфическая функция системы, описывающая все внешние и внутренние процессы, происходящие в ней, и не изменяющаяся во времени для изолированной системы, достигшей состояния равновесия .
масса (в электродинамике, а также классической механике и термодинамике) – независимый параметр в функции полной энергии системы, изменяющийся лишь при массопереносе через границы системы и/или при диффузии. В соответствии с этим определением масса не является мерой инерционных свойств системы и совпадает с Ньютоновским определением массы как меры количества вещества.
масса по СТО – мера инерционных свойств системы, пропорциональная полной её энергии и изменяющаяся с изменением энергии под воздействием любого фактора; в собственной системе отсчёта равна массе покоя, численно равной электродинамической массе системы.
2. Полная энергия системы
Энергодинамика даёт следующую формулу полной энергии системы [там же], Рис.1, (1).
Масса mk (параметр системы) является одной из независимых переменных энергии и в равновесных системах изменяется только при массообмене или диффузии к-ого вещества через границы системы. . В случае неизменного состава масса системы м = Сумме мк.
3. Уравнение Е = мс**2 нельзя использовать для расчёта полной энергии системы и энергии покоя
В СТО полную энергию можно представить в виде, Рис. 1, (2):
Разделим (1) на m0 и выразим последний член через скорость центра масс, Рис.1, (3). Разделим также (2) на m0 (m = m0) и приравняем правые части (2) и (3), считая, что принцип Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии справедлив, Рис. 1, (4). Левая часть (4) изменяется при теплообмене, объёмной деформации, диффузии и перемещении в силовых полях, в то время как правая равна постоянной.
Термодинамический расчёт полной энергии системы и расчёт по формуле
Е = мс2 даёт совершенно несовместимые результаты.
4. СТО противоречит термодинамике – чему верить?
Отметим вначале некоторые очевидные факты, а затем вынесем вердикт.
1. Энергия системы может быть сколь угодно большой, т.к. интенсивные параметры системы не ограничены сверху – формула Е = мс2 ограничивает её квадратом скорости.
2. Термодинамика и энергодинамика определяют массу как одну из независимых переменных её состояния, в СТО же она зависит от энергообмена системы с внешней средой. В термодинамике и энергодинамике энергия не отождествляется со способностью системы совершать работу, в СТО «запас» энергии оценивается именно её массой, а работа – убылью («дефектом») этой массы.
3. В ТНП и энергодинамике инерционные свойства процессов вытекают из принципа Шателье-Брауна, в СТО они характеризуются лишь сопротивлением процессу ускорения.
Заключение
Если учесть мнение самого Эйнштейна о термодинамике (это единственная физическая теория общего содержания, которая «никогда не будет опровергнута» ), приговор очевиден – истину глаголет термодинамика.
С точки зрения приведённого выше анализа формула Е = мс**2 не пригодна для расчёта как полной энергии системы, так и той энергии, которой она обладает пребывая в покое. Неисправимые же эйнштейнианцы, дабы опровергнуть этот вывод, могут для начала убедительно показать «невеждам», что в 1 кГ золы содержится столько же энергии, сколько и в 1 кГ антрацита.
Источники информации
1. Опровержение E=mc2 и устройство атома.
http://www.kprf.org/showthread-t_8885-page_3.html 01.03.2012, 09:08.
2. Умов Н.А.Теория простых сред, Спб, 1873. (См. также Архив АН СССР, ф. 320, оп. 1, № 83-84).
3. Томсон Дж.Дж. Об электрическом и магнитном эффекте, обусловленном движением наэлектризованных тел. (см. Кудрявцев П.С. Курс истории физики, М.: Просвещение, 1974).
4. Хевисайд О. // Electrical Papers. - London: «Macmillan and Co.»,1892.- Vol. 2. p. 492.
5. Эткин В., д.т.н., проф. ЭКВИВАЛЕНТНЫ ЛИ МАССА И ЭНЕРГИЯ?
6. Эйнштейн А. Творческая автобиография. // Физика и реальность.- М.: «Наука». 195.- С.131-166.
20.10.14
Рецензии
"1. Энергия системы может быть сколь угодно большой, т.к. интенсивные параметры системы не ограничены сверху – формула Е = мс2 ограничивает её квадратом скорости." Ничего формула Е = мс2 не ограничивает - хотя бы вследствие переменности массы и возможности ее неограниченного возрастания с ростом энергии. Классическая термодинамика справедливо полагает массу в закрытой системе неизменной - просто вследствие малости релятивистских эффектов при малых скоростях. Но она - лишь приближение.
Уважаемый Алексей! Масса, утверждают современные релятивисты, не зависит от скорости тела.Это мол раньше по ошибке так утверждали, а теперь нет - масса тела постоянна. пока ограничусь только этим замечанием и не отвечу вам по существу.
Болотовский Б. Простой вывод формулы E = mc 2 //Квант. - 2005. - № 6. - С. 2-7.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Введение
Полная и окончательная формулировка современной теории относительности содержится в большой статье Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», опубликованной в 1905 году. Если говорить об истории создания теории относительности, то у Эйнштейна были предшественники. Отдельные важные вопросы теории исследовались в работах Х.Лоренца, Дж.Лармора, А.Пуанкаре, а также некоторых других физиков. Однако теория относительности как физическая теория до появления работы Эйнштейна не существовала. Работа Эйнштейна отличается от предшествующих работ совершенно новым пониманием как отдельных сторон теории, так и всей теории как целого, таким пониманием, которого не было в работах его предшественников.
Теория относительности заставила пересмотреть многие основные представления физики. Относительность одновременности событий, различия в ходе движущихся и покоящихся часов, отличия в длине движущейся и покоящейся линеек - эти и многие другие следствия теории относительности неразрывно связаны с новыми по сравнению с ньютоновской механикой представлениями о пространстве и времени, а также о взаимной связи пространства и времени.
Одно из важнейших следствий теории относительности - знаменитое соотношение Эйнштейна между массой m покоящегося тела и запасом энергии Е в этом теле:
\(~E = mc^2, \qquad (1)\)
где с - скорость света.
(Это соотношение называют по-разному. На Западе для него принято название «соотношение эквивалентности между массой и энергией». У нас долгое время было принято более осторожное название «соотношение взаимосвязи между массой и энергией». Сторонники этого более осторожного названия избегают слова «эквивалентность», тождественность, потому что, говорят они, масса и энергия - это разные качества вещества, они могут быть связаны между собой, но не тождественны, не эквивалентны. Мне кажется, что эта осторожность является излишней. Равенство E = mc 2 говорит само за себя. Из него следует, что массу можно измерять в единицах энергии, а энергию - в единицах массы. Кстати, так физики и поступают. А утверждение, что масса и энергия - это разные характеристики вещества, было справедливо в механике Ньютона, а в механике Эйнштейна само соотношение E = mc 2 говорит о тождественности этих двух величин - массы и энергии. Можно, конечно, сказать, что соотношение между массой и энергией не означает их тождественности. Но это все равно, что сказать, глядя на равенство 2 = 2: это не тождество, а соотношение между разными двойками, потому что справа стоит правая двойка, а слева - левая.)
Соотношение (1) обычно выводится из уравнения движения тела в эйнштейновской механике, но этот вывод достаточно труден для ученика средней школы. Поэтому имеет смысл попытаться найти простой вывод этой формулы.
Сам Эйнштейн, сформулировав в 1905 году основы теории относительности в статье «К электродинамике движущихся тел», затем вернулся к вопросу о соотношении между массой и энергией. В том же 1905 году он опубликовал короткую заметку «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». В этой статье он дал вывод соотношения E = mc 2 , который опирается не на уравнение движения, а, как и приведенный ниже вывод, на эффект Доплера. Но этот вывод тоже довольно сложный.
Вывод формулы E = mc 2 , который мы хотим вам предложить, не основан на уравнении движения и, кроме того, является достаточно простым, так что школьники старших классов могут его одолеть - для этого почти не потребуется знаний, выходящих за пределы школьной программы. На всякий случай мы приведем все сведения, которые нам понадобятся. Это сведения об эффекте Доплера и о фотоне - частице электромагнитного поля. Но предварительно оговорим одно условие, которое будем считать выполненным и на которое будем опираться при выводе.
Условие малости скоростей
Мы будем предполагать, что тело массой m , с которым мы будем иметь дело, либо покоится (и тогда, очевидно, скорость его равна нулю), либо, если оно движется, то со скоростью υ , малой по сравнению со скоростью света с . Иными словами, мы будем предполагать, что отношение \(~\frac{\upsilon}{c}\) скорости тела к скорости света есть величина малая по сравнению с единицей. Однако мы будем считать отношение \(~\frac{\upsilon}{c}\) хотя и малой, но не пренебрежимо малой величиной - будем учитывать величины, пропорциональные первой степени отношения \(~\frac{\upsilon}{c}\), но будем пренебрегать вторыми и более высокими степенями этого отношения. Например, если при выводе нам придется иметь дело с выражением \(~1 - \frac{\upsilon^2}{c^2}\), мы будем пренебрегать величиной \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) по сравнению с единицей:
\(~1 - \frac{\upsilon^2}{c^2} = 1, \ \frac{\upsilon^2}{c^2} \ll \frac{\upsilon}{c} \ll 1. \qquad (2)\)
В этом приближении получаются соотношения, которые на первый взгляд могут показаться странными, хотя ничего странного в них нет, надо только помнить, что соотношения эти не являются точными равенствами, а справедливы с точностью до величины \(~\frac{\upsilon}{c}\) включительно, величинами же порядка \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) мы пренебрегаем. В таком предположении справедливо, например, следующее приближенное равенство:
\(~\frac{1}{1 - \frac{\upsilon}{c}} = 1 + \frac{\upsilon}{c}, \ \frac{\upsilon^2}{c^2} \ll 1. \qquad (3)\)
Действительно, умножим обе части этого приближенного равенства на \(~1 - \frac{\upsilon}{c}\). Мы получим
\(~1 = 1 - \frac{\upsilon^2}{c^2},\)
т.е. приближенное равенство (2). Поскольку мы считаем, что величина \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) пренебрежимо мала в сравнении с единицей, мы видим, что в приближении \(~\frac{\upsilon^2}{c^2} \ll 1\) равенство (3) справедливо.
Аналогично, нетрудно доказать в том же приближении равенство
\(~\frac{1}{1 + \frac{\upsilon}{c}} = 1 - \frac{\upsilon}{c}. \qquad (4)\)
Чем меньше величина \(~\frac{\upsilon}{c}\), тем точнее эти приближенные равенства.
Мы не случайно будем использовать приближение малых скоростей. Нередко приходится слышать и читать, что теория относительности должна применяться в случае больших скоростей, когда отношение скорости тела к скорости света имеет порядок единицы, при малых же скоростях применима механика Ньютона. На самом деле теория относительности не сводится к механике Ньютона даже в случае сколь угодно малых скоростей. Мы это увидим, доказав соотношение E = mc 2 для покоящегося или очень медленно движущегося тела. Механика Ньютона такого соотношения дать не может.
Оговорив малость скоростей по сравнению со скоростью света, перейдем к изложению некоторых сведений, которые понадобятся нам при выводе формулы E = mc 2 .
Эффект Доплера
Мы начнем с явления, которое называется по имени австрийского физика Кристиана Доплера, открывшего это явление в середине позапрошлого века.
Рассмотрим источник света, причем будем считать, что источник движется вдоль оси x со скоростью υ . Предположим для простоты, что в момент времени t = 0 источник проходит через начало координат, т.е. через точку х = 0. Тогда положение источника в любой момент времени t определяется формулой
\(~x = \upsilon t.\)
Предположим, что далеко впереди излучающего тела на оси x помещен наблюдатель, который следит за движением тела. Ясно, что при таком расположении тело приближается к наблюдателю. Допустим, что наблюдатель взглянул на тело в момент времени t . В этот момент до наблюдателя доходит световой сигнал, излученный телом в более ранний момент времени t’ . Очевидно, момент излучения должен предшествовать моменту приема, т.е. должно быть t’ < t .
Определим связь между t’ и t . В момент излучения t’ тело находится в точке \(~x" = \upsilon t"\), a наблюдатель пусть находится в точке х = L . Тогда расстояние от точки излучения до точки приема равно \(~L - \upsilon t"\), а время, за которое свет пройдет такое расстояние, равно \(~\frac{L - \upsilon t"}{c}\). Зная это, мы легко можем записать уравнение, связывающее t’ и t :
\(~t = t" + \frac{L - \upsilon t"}{c}.\)
\(~t" = \frac{t - \frac Lc}{1 - \frac{\upsilon}{c}}. \qquad (5)\)
Таким образом, наблюдатель, глядя на движущееся тело в момент времени t , видит это тело там, где оно находилось в более ранний момент времени t’ , причем связь между t и t’ определяется формулой (5).
Предположим теперь, что яркость источника периодически меняется по закону косинуса. Обозначим яркость буквой I . Очевидно, I есть функция времени, и мы можем, учитывая это обстоятельство, записать
\(~I = I_0 + I_1 \cos \omega t \ (I_0 > I_1 > 0),\)
где I 0 и I 1 - некоторые постоянные, не зависящие от времени. Неравенство в скобках необходимо потому, что яркость не может быть отрицательной величиной. Но для нас в данном случае это обстоятельство не имеет никакого значения, поскольку в дальнейшем нас будет интересовать только переменная составляющая - второе слагаемое в формуле для I (t ).
Пусть наблюдатель смотрит на тело в момент времени t . Как уже было сказано, он видит тело в состоянии, соответствующем более раннему моменту времени t’ . Переменная часть яркости в момент t’ пропорциональна cos ωt’ . С учетом соотношения (5) получаем
\(~\cos \omega t" = \cos \omega \frac{t - \frac Lc}{1 - \frac{\upsilon}{c}} = \cos \left(\frac{\omega t}{1 - \frac{\upsilon}{c}} - \omega \frac Lc \frac{1}{1 - \frac{\upsilon}{c}}\right).\)
Коэффициент при t под знаком косинуса дает частоту изменения яркости, как ее видит наблюдатель. Обозначим эту частоту через ω’ , тогда
\(~\omega" = \frac{\omega}{1 - \frac{\upsilon}{c}}. \qquad (6)\)
Если источник покоится (υ = 0), то ω’ = ω , т.е. наблюдатель воспринимает ту же самую частоту, что излучается источником. Если же источник движется к наблюдателю (в этом случае наблюдатель принимает излучение, направленное вперед по движению источника), то принимаемая частота ω’ ω , причем принимаемая частота больше излучаемой.
Случай, когда источник движется от наблюдателя, можно получить, изменив знак перед υ в соотношении (6). Видно, что тогда принимаемая частота оказывается меньше излучаемой.
Можно сказать, что вперед излучаются большие частоты, а назад - малые (если источник удаляется от наблюдателя, то наблюдатель, очевидно, принимает излучение, испущенное назад).
В несовпадении частоты колебаний источника и частоты, принимаемой наблюдателем, и состоит эффект Доплера. Если наблюдатель находится в системе координат, в которой источник покоится, то излучаемая и принимаемая частоты совпадают. Если же наблюдатель находится в системе координат, в которой источник движется со скоростью υ , то связь излучаемой и принимаемой частот определяется формулой (6). При этом мы предполагаем, что наблюдатель всегда покоится.
Как видно, связь между излучаемой и принимаемой частотами определяется скоростью v относительного движения источника и наблюдателя. В этом смысле безразлично, кто движется - источник приближается к наблюдателю или наблюдатель к источнику. Но нам в дальнейшем удобнее будет считать, что наблюдатель покоится.
Строго говоря, в разных системах координат время течет по-разному. Изменение хода времени также сказывается на величине наблюдаемой частоты. Если,например, частота колебаний маятника в системе координат, где он покоится, равна ω , то в системе координат, где он движется со скоростью υ , частота равна \(~\omega \sqrt{1 - \frac{\upsilon^2}{c^2}}\). К такому результату приводит теория относительности. Но поскольку мы с самого начала условились пренебрегать величиной \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) по сравнению с единицей, то изменение хода времени для нашего случая (движение с малой скоростью) пренебрежимо мало.
Таким образом, наблюдение за движущимся телом имеет свои особенности. Наблюдатель видит тело не там, где оно находится (пока сигнал идет к наблюдателю, тело успевает переместиться), и принимает сигнал, частота которого ω’ отличается от излучаемой частоты ω .
Выпишем теперь окончательные формулы, которые понадобятся нам в дальнейшем. Если движущийся источник излучает вперед по направлению движения, то частота ω’ , принятая наблюдателем, связана с частотой источника ω соотношением
\(~\omega" = \frac{\omega}{1 - \frac{\upsilon}{c}} = \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right), \ \frac{\upsilon}{c} \ll 1. \qquad (7)\)
Для излучения назад имеем
\(~\omega" = \frac{\omega}{1 + \frac{\upsilon}{c}} = \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right), \ \frac{\upsilon}{c} \ll 1. \qquad (8)\)
Энергия и импульс фотона
Современное представление о частице электромагнитного поля - фотоне, как и формула E = mc 2 , которую мы собираемся доказать, принадлежит Эйнштейну и было высказано им в том же 1905 году, в котором он доказал эквивалентность массы и энергии. Согласно Эйнштейну, электромагнитные и, в частности, световые волны состоят из отдельных частиц - фотонов. Если рассматривается свет некоторой определенной частоты ω , то каждый фотон имеет энергию E , пропорциональную этой частоте:
\(~E = \hbar \omega .\)
Коэффициент пропорциональности \(~\hbar\) называется постоянной Планка. По порядку величины постоянная Планка равна 10 -34 , размерность ее Дж·с. Мы здесь не выписываем точного значения постоянной Планка, оно нам не понадобится.
Иногда вместо слова «фотон» говорят «квант электромагнитного поля».
Фотон имеет не только энергию, но и импульс, равный
\(~p = \frac{\hbar \omega}{c} = \frac Ec .\)
Этих сведений нам будет достаточно для дальнейшего.
Вывод формулы E = mc 2
Рассмотрим покоящееся тело массой m . Предположим, что это тело одновременно излучает два фотона в прямо противоположных направлениях. Оба фотона имеют одинаковые частоты ω и, значит, одинаковые энергии \(~E = \hbar \omega\), а также равные по величине и противоположные по направлению импульсы. В результате излучения тело теряет энергию
\(~\Delta E = 2 \hbar \omega. \qquad (9)\)
Потеря импульса равна нулю, и, следовательно, тело после излучения двух квантов остается в покое.
Этот мысленный опыт представлен на рисунке 1. Тело изображено кружком, а фотоны - волнистыми линиями. Один из фотонов излучается в положительном направлении оси x , другой - в отрицательном. Около волнистых линий приведены значения энергии и импульса соответствующих фотонов. Видно, что сумма излученных импульсов равна нулю.
Рис.1. Картина двух фотонов в системе отсчета, в которой излучающее тело покоится: а) тело до излучения; б) после излучения
Рассмотрим теперь ту же картину с точки зрения наблюдателя, который движется по оси x влево (т.е. в отрицательном направлении оси x ) с малой скоростью υ . Такой наблюдатель увидит уже не покоящееся тело, а тело, движущееся с малой скоростью вправо. Величина этой скорости равна υ , а направлена скорость в положительном направлении оси x . Тогда частота, излучаемая вправо, будет определяться формулой (7) для случая излучения вперед:
\(~\omega" = \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right).\)
Мы частоту фотона, излучаемого движущимся телом вперед по направлению движения, обозначили через ω’ , чтобы не спутать эту частоту с частотой ω излучаемого фотона в той системе координат, где тело покоится. Соответственно, частота фотона, излучаемого движущимся телом влево, определяется формулой (8) для случая излучения назад:
\(~\omega"" = \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right).\)
Чтобы не перепутать излучение вперед и излучение назад, мы будем величины, относящиеся к излучению назад, обозначать двумя штрихами.
Поскольку, из-за эффекта Доплера, частоты излучения вперед и назад различны, энергия и импульс у излученных квантов также будут различаться. Квант, излученный вперед, будет иметь энергию
\(~E" = \hbar \omega" = \hbar \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right)\)
и импульс
\(~p" = \frac{\hbar \omega"}{c} = \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right).\)
Квант, излученный назад, будет иметь энергию
\(~E"" = \hbar \omega"" = \hbar \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right)\)
и импульс
\(~p"" = \frac{\hbar \omega""}{c} = \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right).\)
При этом импульсы квантов направлены в противоположные стороны.
Картина процесса излучения, каким его видит движущийся наблюдатель, изображена на рисунке 2.
Рис.2. Картина двух фотонов в системе отсчета, где скорость излучающего тела равна υ : а) тело до излучения; б) после излучения
Важно здесь подчеркнуть, что на рисунках 1 и 2 изображен один и тот же процесс, но с точки зрения разных наблюдателей. Первый рисунок относится к случаю, когда наблюдатель покоится относительно излучающего тела, а второй - когда наблюдатель движется.
Подсчитаем баланс энергии и импульса для второго случая. Потеря энергии в системе координат, где излучатель имеет скорость υ , равна
\(~\Delta E" = E" + E"" = \hbar \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right) + \hbar \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right) = 2 \hbar \omega = \Delta E,\)
т.е. она такая же, как и в системе, где излучатель покоится (см. формулу (9)). Но потеря импульса в системе, где излучатель движется, не равна нулю, в отличие от системы покоя:
\(~\Delta p" = p" - p"" = \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right) - \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 1 \frac{\upsilon}{c} \right) = \frac{2 \hbar \omega}{c} \frac{\upsilon}{c} = \frac{\Delta E}{c^2} \upsilon. \qquad (10)\)
Движущийся излучатель теряет импульс \(~\frac{\Delta E \upsilon}{c^2}\) и, следовательно, должен, казалось бы, тормозиться, уменьшать свою скорость. Но в системе покоя излучение симметрично, излучатель не меняет скорости. Значит, скорость излучателя не может измениться и в той системе, где он движется. А если скорость тела не меняется, то как оно может потерять импульс?
Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, как записывается импульс тела массой m :
\(~p = m \upsilon\)
Импульс равен произведению массы тела на его скорость. Если скорость тела не меняется, то его импульс может измениться только за счет изменения массы:
\(~\Delta p = \Delta m \upsilon\)
Здесь Δp - изменение импульса тела при неизменной скорости, Δm - изменение его массы.
Это выражение для потери импульса надо приравнять к выражению (10), которое связывает потерю импульса с потерей энергии. Мы получим формулу
\(~\frac{\Delta E}{c^2}\upsilon = \Delta m \upsilon,\)
\(~\Delta E = \Delta m c^2,\)
которая означает, что изменение энергии тела влечет за собой пропорциональное изменение его массы. Отсюда легко получить соотношение между полной массой тела и полным запасом энергии:
\(~E = mc^2.\)
Открытие этой формулы явилось огромным шагом вперед в понимании природных явлений. Само по себе осознание эквивалентности массы и энергии есть великое достижение. Но полученная формула, помимо того, имеет широчайшее поле применения. Распад и слияние атомных ядер, рождение и распад частиц, превращения элементарных частиц одна в другую и множество других явлений требуют для своего объяснения учета формулы связи между массой и энергией.
В заключение - два домашних задания для любителей теории относительности.
- Прочитайте статью А.Эйнштейна «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» .
- Попробуйте самостоятельно вывести соотношение \(~\Delta m = \frac{\Delta E}{c^2}\) для случая системы отсчета, скорость которой υ может быть не малой по сравнению со скоростью света с . Указание . Используйте точную формулу для импульса частицы: \(~p = \frac{m \upsilon}{\sqrt{1 - \frac{\upsilon^2}{c^2}}}\) и точную формулу для эффекта Доплера: \(~\omega" = \omega \sqrt{\frac{1 + \frac{\upsilon}{c}}{1 - \frac{\upsilon}{c}}},\) которая получается, если учесть различие в ходе времени в покоящейся и движущейся системах отсчета.
Эта статья включает описание термина «энергия покоя»
Эта статья включает описание термина «E=mc2»; см. также другие значения.
Формула на небоскрёбе Тайбэй 101 во время одного из мероприятий Всемирного года физики (2005)
Эквивале́нтность ма́ссы и эне́ргии - физическая концепция теории относительности, согласно которой полная энергия физического объекта (физической системы, тела) равна его (её) массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме:
E = m c 2 , {\displaystyle \ E=mc^{2},} где E {\displaystyle E} - энергия объекта, m {\displaystyle m} - его масса, c {\displaystyle c} - скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с.
В зависимости от того, что понимается под терминами «масса» и «энергия», данная концепция может быть интерпретирована двояко:
- с одной стороны, концепция означает, что масса тела (инвариантная масса, называемая также массой покоя ) равна (с точностью до постоянного множителя c²) энергии, «заключённой в нём», то есть его энергии, измеренной или вычисленной в сопутствующей системе отсчёта (системе отсчёта покоя), так называемой энергии покоя , или в широком смысле внутренней энергии этого тела,
- с другой стороны, можно утверждать, что любому виду энергии (не обязательно внутренней) физического объекта (не обязательно тела) соответствует некая масса; например, для любого движущегося объекта было введено понятие релятивистской массы, равной (с точностью до множителя c²) полной энергии этого объекта (включая кинетическую),
Первая интерпретация не является лишь частным случаем второй. Хотя энергия покоя является частным случаем энергии, а m {\displaystyle m} практически равна m r e l {\displaystyle m_{rel}} в случае нулевой или малой скорости движения тела, но m {\displaystyle m} имеет выходящее за рамки второй интерпретации физическое содержание: эта величина является скалярным (то есть выражаемым одним числом) инвариантным (неизменным при смене системы отсчёта) множителем в определении 4-вектора энергии-импульса, аналогичным ньютоновской массе и являющимся её прямым обобщением, и к тому же m {\displaystyle m} является модулем 4-импульса. Дополнительно, именно m {\displaystyle m} (а не m r e l {\displaystyle m_{rel}}) является единственным скаляром, который не только характеризует инертные свойства тела при малых скоростях, но и через который эти свойства могут быть достаточно просто записаны для любой скорости движения тела.
Таким образом, m {\displaystyle m} - инвариантная масса - физическая величина, имеющая самостоятельное и во многом более фундаментальное значение.
В современной теоретической физике концепция эквивалентности массы и энергии используется в первом смысле. Главной причиной, почему приписывание массы любому виду энергии считается чисто терминологически неудачным и поэтому практически вышло из употребления в стандартной научной терминологии, является следующая из этого полная синонимичность понятий массы и энергии. Кроме того, неаккуратное использование такого подхода может запутывать и в конечном итоге оказывается неоправданным. Таким образом, в настоящее время термин «релятивистская масса» в профессиональной литературе практически не встречается, а когда говорится о массе, имеется в виду инвариантная масса. В то же время термин «релятивистская масса» используется для качественных рассуждений в прикладных вопросах, а также в образовательном процессе и в научно-популярной литературе. Этот термин подчёркивает увеличение инертных свойств движущегося тела вместе с его энергией, что само по себе вполне содержательно.
В наиболее универсальной форме принцип был сформулирован впервые Альбертом Эйнштейном в 1905 году, однако представления о связи энергии и инертных свойств тела развивались и в более ранних работах других исследователей.
В современной культуре формула E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} является едва ли не самой известной из всех физических формул, что обуславливается её связью с устрашающей мощью атомного оружия. Кроме того, именно эта формула является символом теории относительности и широко используется популяризаторами науки.
Эквивалентность инвариантной массы и энергии покоя
Исторически принцип эквивалентности массы и энергии был впервые сформулирован в своей окончательной форме при построении специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном. Им было показано, что для свободно движущейся частицы, а также свободного тела и вообще любой замкнутой системы частиц, выполняются следующие соотношения:
E 2 − p → 2 c 2 = m 2 c 4 p → = E v → c 2 , {\displaystyle \ E^{2}-{\vec {p}}^{\,2}c^{2}=m^{2}c^{4}\qquad {\vec {p}}={\frac {E{\vec {v}}}{c^{2}}},}
где E {\displaystyle E} , p → {\displaystyle {\vec {p}}} , v → {\displaystyle {\vec {v}}} , m {\displaystyle m} - энергия, импульс, скорость и инвариантная масса системы или частицы, соответственно, c {\displaystyle c} - скорость света в вакууме. Из этих выражений видно, что в релятивистской механике, даже когда в нуль обращаются скорость и импульс тела (массивного объекта), его энергия в нуль не обращается, оставаясь равной некоторой величине, определяемой массой тела:
E 0 = m c 2 . {\displaystyle E_{0}=mc^{2}.}
Эта величина носит название энергии покоя, и данное выражение устанавливает эквивалентность массы тела этой энергии. На основании этого факта Эйнштейном был сделан вывод, что масса тела является одной из форм энергии и что тем самым законы сохранения массы и энергии объединены в один закон сохранения.
Энергия и импульс тела являются компонентами 4-вектора энергии-импульса (четырёхимпульса) (энергия - временной, импульс - пространственными) и соответствующим образом преобразуются при переходе из одной системы отсчёта в другую, а масса тела является лоренц-инвариантом, оставаясь при переходе в другие системы отсчёта постоянной, и имея смысл модуля вектора четырёхимпульса.
Следует также отметить, что несмотря на то, что энергия и импульс частиц аддитивны, то есть для системы частиц имеем:
| E = ∑ i E i p → = ∑ i p → i {\displaystyle \ E=\sum _{i}E_{i}\qquad {\vec {p}}=\sum _{i}{\vec {p}}_{i}} | (1) |
масса частиц аддитивной не является, то есть масса системы частиц, в общем случае, не равна сумме масс составляющих её частиц.
Таким образом, энергия (неинвариантная, аддитивная, временная компонента четырёхимпульса) и масса (инвариантный, неаддитивный модуль четырёхимпульса) - это две разные физические величины.
Эквивалентность инвариантной массы и энергии покоя означает, что в системе отсчёта, в которой свободное тело покоится (собственной), его энергия (с точностью до множителя c 2 {\displaystyle c^{2}}) равна его инвариантной массе.
Четырёхимпульс равен произведению инвариантной массы на четырёхскорость тела.
P μ = m U μ , {\displaystyle p^{\mu }=m\,U^{\mu }\!,}
Понятие релятивистской массы
После того, как Эйнштейн предложил принцип эквивалентности массы и энергии, стало очевидно, что понятие массы может интерпретироваться двояко. С одной стороны, это инвариантная масса, которая - именно в силу инвариантности - совпадает с той массой, что фигурирует в классической физике, с другой - можно ввести так называемую релятивистскую массу , эквивалентную полной (включая кинетическую) энергии физического объекта:
M r e l = E c 2 , {\displaystyle m_{\mathrm {rel} }={\frac {E}{c^{2}}},}
где m r e l {\displaystyle m_{\mathrm {rel} }} - релятивистская масса, E {\displaystyle E} - полная энергия объекта.
Для массивного объекта (тела) эти две массы связаны между собой соотношением:
M r e l = m 1 − v 2 c 2 , {\displaystyle m_{\mathrm {rel} }={\frac {m}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}},}
где m {\displaystyle m} - инвариантная («классическая») масса, v {\displaystyle v} - скорость тела.
Соответственно,
E = m r e l c 2 = m c 2 1 − v 2 c 2 . {\displaystyle E=m_{\mathrm {rel} }{c^{2}}={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}.}
Энергия и релятивистская масса - это одна и та же физическая величина (неинвариантная, аддитивная, временная компонента четырёхимпульса).
Эквивалентность релятивистской массы и энергии означает, что во всех системах отсчёта энергия физического объекта (с точностью до множителя c 2 {\displaystyle c^{2}}) равна его релятивистской массе.
Введённая таким образом релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между трёхмерным («классическим») импульсом и скоростью тела:
P → = m r e l v → . {\displaystyle {\vec {p}}=m_{\mathrm {rel} }{\vec {v}}.}
Аналогичное соотношение выполняется в классической физике для инвариантной массы, что также приводится как аргумент в пользу введения понятия релятивистской массы. Это в дальнейшем привело к тезису, что масса тела зависит от скорости его движения.
В процессе создания теории относительности обсуждались понятия продольной и поперечной массы массивной частицы (тела). Пусть сила, действующая на тело, равна скорости изменения релятивистского импульса. Тогда связь силы F → {\displaystyle {\vec {F}}} и ускорения a → = d v → / d t {\displaystyle {\vec {a}}=d{\vec {v}}/dt} существенно изменяется по сравнению с классической механикой:
F → = d p → d t = m a → 1 − v 2 / c 2 + m v → ⋅ (v → a →) / c 2 (1 − v 2 / c 2) 3 / 2 . {\displaystyle {\vec {F}}={\frac {d{\vec {p}}}{dt}}={\frac {m{\vec {a}}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}+{\frac {m{\vec {v}}\cdot ({\vec {v}}{\vec {a}})/c^{2}}{(1-v^{2}/c^{2})^{3/2}}}.}
Если скорость перпендикулярна силе, то F → = m γ a → , {\displaystyle {\vec {F}}=m\gamma {\vec {a}},} а если параллельна, то F → = m γ 3 a → , {\displaystyle {\vec {F}}=m\gamma ^{3}{\vec {a}},} где γ = 1 / 1 − v 2 / c 2 {\displaystyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}} - релятивистский фактор. Поэтому m γ = m r e l {\displaystyle m\gamma =m_{\mathrm {rel} }} называют поперечной массой, а m γ 3 {\displaystyle m\gamma ^{3}} - продольной.
Утверждение о том, что масса зависит от скорости, вошло во многие учебные курсы и в силу своей парадоксальности приобрело широкую известность среди неспециалистов. Однако в современной физике избегают использовать термин «релятивистская масса», используя вместо него понятие энергии, а под термином «масса» понимая инвариантную массу (покоя). В частности, выделяются следующие недостатки введения термина «релятивистская масса»:
- неинвариантность релятивистской массы относительно преобразований Лоренца;
- синонимичность понятий энергия и релятивистская масса, и, как следствие, избыточность введения нового термина;
- наличие различных по величине продольной и поперечной релятивистских масс и невозможность единообразной записи аналога второго закона Ньютона в виде
- методологические сложности преподавания специальной теории относительности, наличие специальных правил, когда и как следует пользоваться понятием «релятивистская масса» во избежание ошибок;
- путаница в терминах «масса», «масса покоя» и «релятивистская масса»: часть источников просто массой называют одно, часть - другое.
Несмотря на указанные недостатки, понятие релятивистской массы используется и в учебной, и в научной литературе. Следует, правда, отметить, что в научных статьях понятие релятивистской массы используется по большей части только при качественных рассуждениях как синоним увеличения инертности частицы, движущейся с околосветовой скоростью.
Гравитационное взаимодействие
В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, и его величина определяется гравитационной массой тела, которая с высокой степенью точности равна по величине инертной массе, о которой шла речь выше, что позволяет говорить о просто массе тела.
В релятивистской физике гравитация подчиняется законам общей теории относительности, в основе которой лежит принцип эквивалентности, заключающийся в неотличимости явлений, происходящих локально в гравитационном поле, от аналогичных явлений в неинерциальной системе отсчёта, движущейся с ускорением, равным ускорению свободного падения в гравитационном поле. Можно показать, что данный принцип эквивалентен утверждению о равенстве инертной и гравитационной масс.
В общей теории относительности энергия играет ту же роль, что и гравитационная масса в классической теории. Действительно, величина гравитационного взаимодействия в этой теории определяется так называемым тензором энергии-импульса, являющимся обобщением понятия энергии.
В простейшем случае точечной частицы в центрально-симметричном гравитационном поле объекта, масса которого много больше массы частицы, сила, действующая на частицу, определяется выражением:
F → = − G M E c 2 (1 + β 2) r → − (r → β →) β → r 3 {\displaystyle {\vec {F}}=-GM{\frac {E}{c^{2}}}{\frac {(1+\beta ^{2}){\vec {r}}-({\vec {r}}{\vec {\beta }}){\vec {\beta }}}{r^{3}}}}
где G - гравитационная постоянная, M - масса тяжёлого объекта, E - полная энергия частицы, β = v / c , {\displaystyle \beta =v/c,} v - скорость частицы, r → {\displaystyle {\vec {r}}} - радиус-вектор, проведённый из центра тяжёлого объекта в точку нахождения частицы. Из этого выражения видна главная особенность гравитационного взаимодействия в релятивистском случае по сравнению с классической физикой: оно зависит не только от массы частицы, но и от величины и направления её скорости. Последнее обстоятельство, в частности, не позволяет ввести однозначным образом некую эффективную гравитационную релятивистскую массу, сводившую бы закон тяготения к классическому виду.
Предельный случай безмассовой частицы
Важным предельным случаем является случай частицы, масса которой равна нулю. Примером такой частицы является фотон - частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Из приведённых выше формул следует, что для такой частицы справедливы следующие соотношения:
E = p c , v = c . {\displaystyle E=pc,\qquad v=c.}
Таким образом, частица с нулевой массой вне зависимости от своей энергии всегда двигается со скоростью света. Для безмассовых частиц введение понятия «релятивистской массы» в особой степени не имеет смысла, поскольку, например, при наличии силы в продольном направлении скорость частицы постоянна, а ускорение, следовательно, равно нулю, что требует бесконечной по величине эффективной массы тела. В то же время, наличие поперечной силы приводит к изменению направления скорости, и, следовательно, «поперечная масса» фотона имеет конечную величину.
Аналогично бессмысленно для фотона вводить эффективную гравитационную массу. В случае центрально-симметричного поля, рассмотренного выше, для фотона, падающего вертикально вниз, она будет равна E / c 2 {\displaystyle E/c^{2}} , а для фотона, летящего перпендикулярно направлению на гравитационный центр, - 2 E / c 2 {\displaystyle 2E/c^{2}} .
Практическое значение
Формула на палубе первого авианосца с ядерной силовой установкой USS Enterprise 31 июля 1964
Полученная А. Эйнштейном эквивалентность массы тела запасённой в теле энергии стала одним из главных практически важных результатов специальной теории относительности. Соотношение E 0 = m c 2 {\displaystyle E_{0}=mc^{2}} показало, что в веществе заложены огромные (благодаря квадрату скорости света) запасы энергии, которые могут быть использованы в энергетике и военных технологиях.
Количественные соотношения между массой и энергией
В международной системе единиц СИ отношение энергии и массы E / m выражается в джоулях на килограмм, и оно численно равно квадрату значения скорости света c в метрах в секунду:
E / m = c ² = (299 792 458 м/с)² = 89 875 517 873 681 764 Дж/кг (≈9,0·1016 джоулей на килограмм).Таким образом, 1 грамм массы эквивалентен следующим значениям энергии:
- 89,9 тераджоулей (89,9 ТДж)
- 25,0 миллионов киловатт-часов (25 ГВт·ч),
- 21,5 миллиардов килокалорий (≈21 Ткал),
- 21,5 килотонн в тротиловом эквиваленте (≈21 кт).
В ядерной физике часто применяется значение отношения энергии и массы, выраженное в мегаэлектронвольтах на атомную единицу массы - ≈931,494 МэВ/а.е.м.
Примеры взаимопревращения энергии покоя и кинетической энергии
Энергия покоя способна переходить в кинетическую энергию частиц в результате ядерных и химических реакций, если в них масса вещества, вступившего в реакцию, больше массы вещества, получившегося в результате. Примерами таких реакций являются:
- Аннигиляция пары частица-античастица с образованием двух фотонов. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуется два гамма-кванта, и энергия покоя пары полностью переходит в энергию фотонов:
- Термоядерная реакция синтеза атома гелия из протонов и электронов, в которой разность масс гелия и протонов преобразуется в кинетическую энергию гелия и энергию электронных нейтрино
- Реакция деления ядра урана-235 при столкновении с медленным нейтроном. При этом ядро делится на два осколка с меньшей суммарной массой с испусканием двух или трёх нейтронов и освобождением энергии порядка 200 МэВ, что составляет порядка 1 процента от массы атома урана. Пример такой реакции:
- Реакция горения метана:
В этой реакции выделяется порядка 35,6 МДж тепловой энергии на кубический метр метана, что составляет порядка 10−10 от его энергии покоя. Таким образом, в химических реакциях преобразование энергии покоя в кинетическую энергию значительно ниже, чем в ядерных. На практике этим вкладом в изменение массы прореагировавших веществ в большинстве случаев можно пренебречь, так как оно обычно лежит вне пределов возможности измерений.
Важно отметить, что в практических применениях превращение энергии покоя в энергию излучения редко происходит со стопроцентной эффективностью. Теоретически совершенным превращением было бы столкновение материи с антиматерией, однако в большинстве случаев вместо излучения возникают побочные продукты и вследствие этого только очень малое количество энергии покоя превращается в энергию излучения.
Существуют также обратные процессы, увеличивающие энергию покоя, а следовательно и массу. Например, при нагревании тела увеличивается его внутренняя энергия, в результате чего возрастает масса тела. Другой пример - столкновение частиц. В подобных реакциях могут рождаться новые частицы, массы которых существенно больше, чем у исходных. «Источником» массы таких частиц является кинетическая энергия столкновения.
История и вопросы приоритета
Джозеф Джон Томсон первым попытался связать энергию и массу
Представление о массе, зависящей от скорости, и об имеющейся связи между массой и энергией начало формироваться ещё до появления специальной теории относительности. В частности, в попытках согласовать уравнения Максвелла с уравнениями классической механики некоторые идеи были выдвинуты в трудах Генриха Шрамма (1872), Н. А. Умова (1874), Дж. Дж. Томсона (1881), О. Хевисайда (1889), Р. Сирла (англ.)русск., М. Абрагама, Х. Лоренца и А. Пуанкаре. Однако только у А. Эйнштейна эта зависимость универсальна, не связана с эфиром и не ограничена электродинамикой.
Считается, что впервые попытка связать массу и энергию была предпринята в работе Дж. Дж. Томсона, появившейся в 1881 году. Томсон в своей работе вводит понятие электромагнитной массы, называя так вклад, вносимый в инертную массу заряженного тела электромагнитным полем, создаваемым этим телом.
Идея наличия инерции у электромагнитного поля присутствует также и в работе О. Хевисайда, вышедшей в 1889 году. Обнаруженные в 1949 году черновики его рукописи указывают на то, что где-то в это же время, рассматривая задачу о поглощении и излучении света, он получает соотношение между массой и энергией тела в виде E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} .
В 1900 году А. Пуанкаре опубликовал работу, в которой пришёл к выводу, что свет как переносчик энергии должен иметь массу, определяемую выражением E / v 2 , {\displaystyle E/v^{2},} где E - переносимая светом энергия, v - скорость переноса.
Хендрик Антон Лоренц указывал на зависимость массы тела от его скорости
В работах М. Абрагама (1902 год) и Х. Лоренца (1904 год) было впервые установлено, что, вообще говоря, для движущегося тела нельзя ввести единый коэффициент пропорциональности между его ускорением и действующей на него силой. Ими были введены понятия продольной и поперечной масс, применяемые для описания динамики частицы, движущейся с околосветовой скоростью, с помощью второго закона Ньютона. Так, Лоренц в своей работе писал:
Экспериментально зависимость инертных свойств тел от их скорости была продемонстрирована в начале XX века в работах В. Кауфмана (1902 год) и А. Бухерера 1908 год).
В 1904-1905 годах Ф. Газенорль в своей работе приходит к выводу, что наличие в полости излучения проявляется в том числе и так, будто бы масса полости увеличилась.
Альберт Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности энергии и массы в наиболее общем виде
В 1905 году появляется сразу целый ряд основополагающих работ А. Эйнштейна, в том числе и работа, посвящённая анализу зависимости инертных свойств тела от его энергии. В частности, при рассмотрении испускания массивным телом двух «количеств света» в этой работе впервые вводится понятие энергии покоящегося тела и делается следующий вывод:
В 1906 году Эйнштейн впервые говорит о том, что закон сохранения массы является всего лишь частным случаем закона сохранения энергии.
В более полной мере принцип эквивалентности массы и энергии был сформулирован Эйнштейном в работе 1907 года, в которой он пишет
Под упрощающим предположением здесь имеется в виду выбор произвольной постоянной в выражении для энергии. В более подробной статье, вышедшей в том же году, Эйнштейн замечает, что энергия является также и мерой гравитационного взаимодействия тел.
В 1911 году выходит работа Эйнштейна, посвящённая гравитационному воздействию массивных тел на свет. В этой работе им приписывается фотону инертная и гравитационная масса равная E / c 2 {\displaystyle E/c^{2}} и для величины отклонения луча света в поле тяготения Солнца выводится значение 0,83 дуговой секунды, что в два раза меньше правильного значения, полученного им же позже на основе развитой общей теории относительности. Интересно, что то же самое половинное значение было получено И. фон Зольднером ещё в 1804 году, но его работа осталась незамеченной.
Экспериментально эквивалентность массы и энергии была впервые продемонстрирована в 1933 году. В Париже Ирен и Фредерик Жолио-Кюри сделали фотографию процесса превращения кванта света, несущего энергию, в две частицы, имеющих ненулевую массу. Приблизительно в то же время в Кембридже Джон Кокрофт и Эрнест Томас Синтон Уолтон наблюдали выделение энергии при делении атома на две части, суммарная масса которых оказалась меньше, чем масса исходного атома.
Влияние на культуру
С момента открытия формула E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} стала одной из самых известных физических формул и является символом теории относительности. Несмотря на то, что исторически формула была впервые предложена не Альбертом Эйнштейном, сейчас она ассоциируется исключительно с его именем, например, именно эта формула была использована в качестве названия вышедшей в 2005 году телевизионной биографии известного учёного. Известности формулы способствовало широко использованное популяризаторами науки контринтуитивное заключение, что масса тела увеличивается с увеличением его скорости. Кроме того, с этой же формулой ассоциируется мощь атомной энергии. Так, в 1946 году журнал «Time» на обложке изобразил Эйнштейна на фоне гриба ядерного взрыва с формулой E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} на нём.
E=MC2 (значения) это:
E=MC2 (значения)E = mc 2 - формула, выражающая эквивалентность массы и энергии
Название E=MC2 или E=MC2 может относиться к:
Николай рудковский
Что означает формула e = mc2 ?
Эта формула называется " специальная теория относительности Эйнштейна"
E = mc2
где:
е - полная энергия тела,
м - масса тела,
с2 - скорость света в вакууме в квадрате
Формула означает, что энергия пропорциональна массе.
Из-за того, что скорость света в вакууме очень большая (300 тысяч км/сек)
а в формуле она ещё и в квадрате, получается, что тело даже очень маленькой массы обладает очень большой энергией.
Например энергия, выделившаяся при ядерном взрыве в Хиросиме, соответствует полной энергии тела массой меньше 1 грамма
Эквивалентность массы и энергии. В двух словах - теория относительности. Вообщем то, за что Эйнштейн получил Нобелевскую премию.
E - полная энергия тела
m - масса тела
c - скорость света в вакууме
В чем смысл формулы E=mc^2
Трудное детство
формула E=mc^2 - формула связи массы и энергии, впервые введена эйнштейном в специальной теории относительности вот что он пишет по этому поводу. ,классическая физика допускала две субстанции - вещество и энергию. первое имело вес, а вторая была невесома. в классической физике мы имели два закона сохранения: один для вещества, другой для энергии. ..согласно теории относительности, нет существенного различия между массой и энергией. энергия имеет массу, а масса представляет собой энергию. вместо двух законов сохранения мы имеем только один: закон сохранения массы-энергии.,
Алексей коряков
Очень философский смысл.
Религия утверждает, что вначале было слово.
Наука - материя первична.
А эта формула по сути примиряет оба подхода, заявляя, что масса и энергия - это два различных проявления одной сущности.
Это коротко. Больше написать просто лень.
Что означает формула E=MC2?
Marktolkien
Символ теории относительности, формула E=mc2 дает возможность вычислить энергию объекта (Е) через его массу (м) и скорость света (с), равную 300 000 000 м/с. Данный принцип эквивалентности массы и энергии вывел Альберт Эйнштейн. Из уравнения следует, что масса является одной из форм энергии. Превращение массы в энергию можно наблюдать на примере горения вещества. Другой пример - поедание бутерброда, чья масса переходит в вашу энергию по той же формуле.
Илья ульянов
Энергия равно произведению массы на скорость света в квадрате. То есть если хотите рассчитать энергию объекта вам надо умножить его массу на скорость света в квадрате. Формула стала символом фундаментального знания о вселенной.