Даже если вы далеки от физики, то наверняка хоть раз да слышали, что E=mc квадрат. Там обычно ещё фотография Эйнштейна с высунутым языком где-то присутствует.
Эта формулировка называется законом взаимосвязи массы и энергии и относится к одной из самых значимых зависимостей в современной физике. Чем же так ценно для науки это популярное и очень простое соотношение? Давайте разберем всё по кирпичикам и дочитаем статью до конца!
Что есть в законе?
В выражении Е=mc2 кажется всё очень просто. Ничего такого прям фундаментального не ощущается. Однако, и второй закон Ньютона, где F=ma, кажется очень простым, вот только все машины и механизмы вокруг нас ездят благодаря простым законам Ньютона.
В случае связи массы и энергии тоже нет волшебных ингредиентов. Е - это энергия, m - масса тела, с - скорость света в вакууме. Причем, очень важно отметить одно интересное обстоятельство. Папа формулы Эйнштейн некогда заявил, что чуть ли не единственная постоянная в нашей вселенной - это скорость света в вакууме. Изменится может почти всё, кроме этой константы. И постоянные читатели моих статей наверное помнят, что мы разбирали метаморфозы, где у нас при приближении к околосветовым скоростям изменялась длина тела, которая кажется постоянной физической величиной. Отсюда же следует, что со скоростью света может перемещаться только тело с массой, равной нулю.
Ещё нужно понять, что такое энергия. И хотя термин энергия в современной физике всё ещё повешен в воздухе и не "отквантован", в расчётах и при решении задач фигурируют разные её виды. Соответственно, ученик может подумать, что если есть такая формула для энергии, то её можно пихать в любую задачу. Например, если нужно найти кинетическую энергию летящего камня, то можно массу камня умножить на скорость света в квадрате :)... Но это примерно те же рассуждения, что и при попытке превысить скорость света релятивистским сложением скоростей и привязать для такого превышения фонарик к рулю велосипеда.
Соответственно, речь в законе идёт про полную энергию свободного тела, причем в системе покоя. Это крайне важное обстоятельство для понимания взаимосвязи массы и энергии. Не совсем корректно представлять себе этот процесс, используя аналогии с камнем и крышей дома.
Система покоя - это система отсчета, в которой частица находится в состоянии покоя.
Понятие довольно сложное, поэтому если нужно разобраться в вопросе глубже, то советую ознакомиться с этим материалом.
Тогда разумный вопрос, как процесс происходит в системе "не покоя". Скажем, можно ли говорить, что вода в кипящем чайнике в виду увеличения её полной энергии стала тяжелее. Связь массы и энергии тоже есть и горячая вода немного тяжелее, нежели холодная. Вот только тут следует объемный математический аппарат и формула E=mc становится гораздо более сложной. Об этом поговорим в одной из следующих публикаций.
Что же, из всего этого следует, что масса и полная энергия покоя взаимосвязаны через скорость света. Но как это можно использовать на практике?
Как применить взаимосвязь массы и энергии?
Из приведенного выше соотношения буквально следует, что изменение любой энергии объекта обязательно сопровождается пропорциональным изменением его массы.
Ведь скорость света в вакууме - постоянная и неизменная величина. Масса теперь становится некоторым показателем наличия энергии и даже у покоящегося тела, обладающего массой, будет ненулевая энергия.
В обычной физике Ньютона - масса тела выступает мерой инертности тела как некоторый количественный коэффициент. Масса встречается и при анализе классическим образом прочих взаимодействий, например гравитационного. В случае рассмотрения взаимосвязи массы и энергии иновационность вопроса на момент вывода соотношения строилась на доводе, что масса теперь является мерой энергосодержания тела. Масса из физического постоянного показателя стала показателем относительным.
Из этого обстоятельства следует и несколько других важных и очень интересных выводов.
Например, если масса эквивалентна энергии, то имея энергию можно создать массу из абсолютной пустоты. И пусть физика не терпит пустоты, но сам вывод буквально феноменален. Значит ли это, что вся материя состоит из энергии? В общем-то, да.
Ещё есть в физике такие процессы (скажем, в ядерной физике), где исходная масса оказывается больше массы полученной. Закон сохранения массы, казалось бы, не работает. Но нет, разница в количестве массы и есть высвободившаяся энергия.
Считать что масса напрямую переходит в энергию не совсем корректно. Скорее правильно будет говорить, что энергия переходит из одной формы в другую и этот процесс сопровождается изменением массы.
Как это сопоставлено с реальностью?
Во многих физических процессах уже вполне успешно удалось обнаружить механизмы взаимосвязи массы и энергии. Например, можно рассмотреть реакцию аннигиляции электрон-позитронной пары, где масса переходит в радиационную энергию впоследствии полностью.
Но есть процессы, которые должны подчиняться закону соотношения массы и энергии, но механизм пока выявить не удалось. В итоге, если "простую массу картошки" можно определить с помощью лабораторной установки, то вот взаимосвязь массы и энергии в большинстве случаев простыми инструментами определить не получится. Но тут мы подходим и к вопросу, что представляет из себя масса с физической точки зрения и почему она есть.
Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!
Статьи по теме на моем канале:
Ещё кое-что полезное:
- Путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь
