Булыжник это не только оружие пролетариата, но и хорошее наглядное пособие для демонстрации работы физических теорий.
Как гласит википедия:
Энергия – скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
В классической механике всего два вида энергии – потенциальная и кинетическая.
Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Лежит на земле булыжник массой m - его потенциальная энергия равна нулю. Поднял пролетарий булыжник с земли на высоту h , его потенциальная энергия выросла на mgh .
Кинетическая энергия – это энергия движения. Покоится булыжник массой m в руке пролетария - его кинетическая энергия равна нулю. Бросил пролетарий булыжник cо скоростью v в своего классового врага – его кинетическая энергия выросла до mv^2 /2 .
Сумма этих двух энергий составляет полную механическую энергию любого материального тела. Всё просто и понятно.
Так хорошо было до тех пор, пока некто Альберт Германович Эйнштейн не сформулировал в своей специальной теории относительности принцип эквивалентности массы и энергии. Ничего плохого и явно противоречащего старой доброй физике Ньютона в этом принципе нет. В соответствии с новой физической концепцией любому виду энергии абстрактного физического объекта обязательно соответствует некая масса этого же объекта. Вроде бы всё чинно и благоразумно. Проблемы начинаются после теоретического обоснования этого принципа с помощью знаменитой формулы.
В СТО для системы отсчёта, в которой тело покоится ( v = 0 ) энергию такого тела называют энергией покоя и, как правило, обозначают Е0 , хотя ноль указывать совсем не обязательно, знающие люди и так понимают, что произведение массы тела на квадрат скорости света это энергия покоя этого тела. С точки зрения здравого смысла и обычной человеческой логики трудно совместить понятие покоя с квадратом скорости света, который стоит в правой части выражения (1). Однако в СТО всему есть своё объяснение. Так приверженцы этой теории утверждают, что квадрат скорости света в формуле энергии покоя это не скорость физического объекта с массой m , а всего лишь размерный коэффициент , численно равный квадрату скорости света в вакууме, позволяющий точно рассчитать количество энергии, запасённой в массе этого физического объекта. При этом СТО не отрицает зависимость энергии абстрактного материального тела от его скорости, но предлагает оформлять эту зависимость несколько иначе, чем это делает классическая механика. Формула полной энергии движущегося физического объекта в СТО выглядит следующим образом:
По сути, выражение (2) ни чем не отличается от выражения (1) для любых скоростей много меньших скорости света ( v << c ). А достижение любым материальным телом скорости равной скорости света принципиально невозможно, так как приводит к делению на ноль, что с точки зрения физики можно трактовать как бесконечную энергию. Т.е. в реальной жизни практически для любого физического объекта с массой покоя больше нуля справедлива краткая формула энергии независимо от того движется он или стоит на месте. Для нормального человека такая казуистика звучит как насмешка и попрание элементарной логики. Однако СТО к претензиям подобного рода относится спокойно и трактует энергию покоя как некий аналог внутренней энергии в классической физике. При этом следует понимать, что классическая внутренняя энергия, рассматриваемая в разделе термодинамики, и «внутренняя» энергия СТО это две большие разницы. Классическая внутренняя энергия не зависит от выбранной системы отсчёта и скорости, она оперирует такими понятиями как количество тепла и температура физического объекта. Эти характеристики нагретого тела имеют весьма косвенное отношение к энергии покоя СТО. Энергия покоя или массовая энергия покоя в теории относительности означает эквивалентность массы и энергии. Данный постулат допускает двоякую трактовку физического смысла знаменитой формулы Эйнштейна. С одной стороны эта формула означает, что масса равна (с точностью до постоянного сомножителя с^2) энергии, заключённой в нём, 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 (необязательно тела) соответствует некая масса. Например, для любого движущегося объекта в ТО введено понятие релятивисткой массы, равной (с точностью до множителя с^2) полной энергии этого объекта (включая кинетическую) . Выделенный курсивом текст это не какая-то придуманная мною отсебятина, а позаимствованное из википедии определение инвариантной релятивисткой массы, аналогичной ньютоновской массе и являющейся по утверждению всё-той же википедии её прямым обобщением в рамках теории относительности. Наверное, что бы окончательно запутать своих читателей, википедия чуть ниже даёт более развёрнутое разъяснение эквивалентности массы и энергии: «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» . Если вам, уважаемые читатели, удалось понять смысл приведённых выше цитат из википедии, то я вам искренне завидую. Потому что от меня этот смысл ускользнул, не дав моему интеллекту ни одного шанса овладеть им. Скорее наоборот, после прочтения этих формулировок у меня появились новые вопросы. Например, вот если вернуться к нашему булыжнику, то для него что означает произведение массы этого булыжника на квадрат скорости света? Энергию покоя? Т.е. это энергия необходимая для удержания булыжника в состоянии покоя, или это энергия накопленная булыжником за время его покоя. А как он (булыжник) приобрёл эту энергию? И если она уже у булыжника имеется, то как можно извлечь из него эту энергию? Что говорит нам по этому поводу СТО? Ничего внятного ни популяризаторы СТО, ни даже сам автор этой теории нам сказать не могут. В подтверждение высказанной мысли приведу цитаты из работы Эйнштейна «Об инерции энергии, требуемой принципом относительности», в которой он впервые привёл «свою» формулу. Во введении к этой статье приводится следующее основополагающее утверждение:
Принцип относительности в совокупности с уравнениями Максвелла приводит к заключению, что инерция тела по вполне определённому закону убывает или возрастает с его энергией.
И далее уже в конце статьи обосновывает окончательный вид формулы:
Как видите, уважаемые читатели, физического смысла в рассуждениях автора самой знаменитой формулы не больше чем у википедии. Поэтому нам придётся самостоятельно разбираться с энергией покоя и формулой, по которой эта энергия вычисляется. По большому счёту, физический смысл энергии покоя СТО можно свести к следующему утверждению. Если некий физический объект «разобрать» на фотоны, то суммарная энергия этих фотонов будет равна произведению исходной массы физического объекта на квадрат скорости фотонов. В более формальной нотации определение энергии покоя может звучать так - энергия покоя физического объекта равна суммарной энергии фотонов, излучаемых при полном разрушении материи этого объекта . В этом случае, согласно СТО любой булыжник обладает энергией покоя E = mc 2 и в умелых руках может стать оружием пострашнее атомной бомбы.
Это, пожалуй, главное достижение СТО, позволившее теоретически обосновать возможность создания ядерного оружия. Из рассмотренных выше соображений становится ясно, что понятия полной энергии и энергии покоя для любого физического объекта в СТО весьма далеки от созвучных понятий полной и потенциальной энергии физического объекта в классической механике. Полная энергия физического тела в СТО это отнюдь не то же самое, что полная механическая энергия в физике Ньютона. И СТО совсем не заменяет классическую механику, а скорее дополняет и, возможно, расширяет её. Классическая механика Ньютона ни в коем случае не является приближением СТО для низких скоростей. Скорее наоборот, СТО можно рассматривать в качестве весьма узкого и специфического раздела общей физики с областью применения, ограниченной релятивистскими скоростями и субатомными размерами. Отсюда следует очень простой вывод. Как бы мы не старались описать изменение энергии булыжника в руках пролетариата в терминах СТО, у нас ничего кроме атомной бомбы не получится. Энергия покоя, или если угодно, «потенциальная внутренняя» энергия массы тела в СТО, никак не связана ни с потенциальной, ни с кинетической энергией в классической механике. В СТО покоящаяся (неподвижная) масса физического тела эквивалентна энергии, извлекаемой при полном превращении материи этого тела в фотоны. Например, если наш пролетарий возьмёт в одну руку булыжник, а в другую антибулыжник (булыжник из антиматерии) и стукнет ими друг об друга, то в результате у него получится как раз та самая «кузькина мать» с энергией E = mc ^2 , где m суммарная масса булыжника и антибулыжника.
В целом, позиционировать специальную теорию относительности в качестве теории, описывающей движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях, меньших скорости света , как это делает википедия вслед за автором этой теории, по-видимому, неуместно и даже несколько самонадеянно.
Наверное, правильнее называть энергию E = mc ^2 не энергией покоя, а фотонной энергией. Так как при извлечении этой энергии из материи излучаются именно фотоны. При этом, такое превращение материи физического объекта в энергию фотонов без нарушения фундаментальных законов сохранения возможно только при условии наличия у фотонов массы покоя. В этом случае энергия фотонов это не абстрактная чистая энергия, а самая обыкновенная кинетическая энергия материальных частиц, движущихся в пространстве со скоростью света.
