На примере этой статьи, в очередной раз хочу показать - физику, создают физики. Вся проблема в том, что некоторые люди хотят представить физику, как нечто отдельное от человека, вплоть до природного начала. Физика- это продукт коллективного умственного труда многих людей, т.е. их мозгов. А мозг- высокоорганизованная природная материальная структура, связывающая материальный мир с миром идеальным- миром глубокого абстрактного мышления. Это то, что отличает нас высших приматов семейства гоминид от всех остальных из мира животных. Развивая физику, человек стремится познать окружающий мир, познать так, как он это видит и понимает. Процесс познания природы совершенствуется вместе с развитием человека, поэтому будут новые теории, новые открытия и новые имена. Но, нельзя забывать, что все новое стоит на плечах гигантов. По этой причине, эта статья будет представлять парад портретов тех самых гигантов.
А теперь о массе. Откуда в физике появилась масса? Сразу отмечу, что бытовое/химическое появление и понимание массы, как меры количества вещества - в современной фундаментальной физике не рассматривается. Одна из причин, будет указана в самом конце статьи. Я буду рассматривать массу исключительно с физической точки зрения.
С 1687 года, года публикации "начал" Исаака Ньютона, в физике появилось сразу несколько понятий "масса". Строго говоря, сам же сэр Исаак породил аж три массы:
- инертная масса, которая определяется из второго закона;
- активная гравитационная масса, как источник гравитационного притяжения;
- пассивная гравитационная масса, как притягиваемая масса.
Однако он же, экспериментируя с маятниками доказал пропорциональность всех трех масс. Да и все последующие опыты вплоть до сегодняшнего дня с высокой точностью подтвердили полное равенство всех трех масс. Правда один момент все-таки вылез "между делом" - из опытов следовало важное заключение- все три массы оказались положительными величинами, говоря языком тех времен "имели одну полярность". Было даже как-то непривычно, ну с инертной массой во втором законе сэра Исаака положительное значение массы вполне логично. А вот в его законе тяготения, положительная полярность двух масс вызывала вопрос у некоторых ученых разных времен, т.к. это не укладывалось с понимаем хорошо известных "электрических свойств материи".
Кроме этого момента, возник другой- если рассматривать в буквальном смысле выражение "закон всемирного тяготения", то получалось, что интенсивность гравитационного притяжения вызванная неограниченной массой Вселенной в любой точке пространства будет бесконечно большой. Чтобы повсеместно не возникло гравитационное сжатие и Вселенная имела тот вид, который имеет, нужно было вводить отрицательные массы, либо нужно было корректировать закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. Это я немного ушел в другую интересную тему, поэтому с этим пока все. Что в итоге? В итоге- классическая механика установила универсальность и равенство всех трех масс.
Однако, масла в огонь подлил и Джеймс Максвелл, своей первой фундаментальной полевой теорией электромагнетизма - электродинамикой.
Из электродинамики не так явно, но настойчиво выскакивала одна мысль-инерция может иметь электромагнитную природу. 1881 году Джозеф Томсон в своей статье "О электрических и магнитных эффектах произведенных движением наэлектризованных тел" рассмотрел возможность объяснения инерции электромагнетизмом. Он исследовал "движение заряженной сферы через индуктивную среду с диэлектрической проницаемостью". Идея простая- движущее заряженное тело за счет своей энергии должно восполнять энергию электромагнитного поля, а это в свою очередь вызывало сопротивление при движении сквозь среду. Если сводить к более простой аналогии- это похоже на сопротивление движению твердого тела в жидкости. Джозеф Томсон предположил, что "сопротивление движению может быть объяснено увеличением инертной массы движущейся заряженной сферы".
В 1889 году за дело взялся Оливер Хевисайд (к работам и деятельности этого уникального человека я вернусь в других своих статьях), тот самый, кто переписал уравнения Джеймса Максвелла в удобный вид, который знают те, кто доучился до второго курса физфака. Оливер Хевисайд в своей работе "Об электромагнитных эффектах, возникающих при движении электрических зарядов через диэлектрик" уточнил и улучшил результаты Джозефа Томсона 1881года.
Результат исследования Оливера Хевисайда оказался следующим: "увеличение массы движущейся заряженной сферы с однородным распределением поверхностного электрического заряда равно 4/3 энергии ее электрического поля, деленной на квадрат скорости света. Т.е.:
- м= 4/3 (Uo/c^2), где Uо- энергия электрического поля покоящегося заряженного тела.,
Причем в этой работе Оливер уже говорит о "электрической природе силы инерции". А в 1889 году из уравнение Джеймса Максвелла он вывел известный множитель, как его называют физики "корешок". :
- 1/ √(1 − v^2/c^2).
Сторонником идеи электромагнитной природы массы был Вильгельм Вин. Обобщая результаты работы Оливера Хевисайда и свои расчеты, он сам выводит и подтверждает формулу для электромагнитной инертной массы исходя из ее электромагнитной природы: м= 4/3 (Uo/c^2), где Uо- энергия электрического поля покоящегося заряженного тела.
Вильгельм Вин уточняет:
- "Формула Оливера Хевисайда справедлива для небольших скоростей, для больших скоростей должны быть приняты во внимание дополнительные члены ряда, а электромагнитная масса зависит от скорости".
Еще одним сторонником идеи электромагнитной природы инертной массы был очень талантливый молодой физик-теоретик Макс Абрагам ( отдельную статью о нем я планирую). Вдохновленный работой 1884 года Джона Пойтинга, его теоремой о переносе энергии в электромагнитном поле, введением понятия электромагнитного импульса, в самом начале ХХ века, Макс Абрагам разработал свою теорию на примере электрона.
За свою относительно недолгую жизнь он смог разработать теорию электрона, доработал классическую электродинамику Джеймса Максвелла, создал теорию гравитации и предложил свою гипотезу " о силовом давлении света". В его учебнике "Теория электричества" была отдельная большая глава "Основные гипотезы динамики электрона и электромагнитная картина мира", в которой он доказывает зависимость массы электрона от скорости его движения исходя из известного множителя: 1/ √(1 − v^2/c^2).
Макс Абрагам приходит к мысли о нецелесообразности использования понятия "механическая масса", а инерция электрона возникает из электромагнитного поля, затем уточнил, что масса электрона имеет чисто электромагнитную природу.
Очень активно в этой теме работал известный физик Хендрик Лоренц (по Хендрику Лоренцу и его работам тоже планирую несколько специальных статей), который приветствовал вывод работ Макса Абрагама, и отметил:" этот вывод несомненно один из важных результатов современной физики".
В 1899 году Хендрик Лоренц используя свою теорию электрона и эфира, вычислил, что отношение массы электрона в движущейся системе отсчета к массе эфира пропорционально некоторому коэффициенту k=1/ √(1 − v^2/c^2). Этот коэффициент ("корешок") известен как "лоренц-фактор или гамма-фактор".
Известный французский математик Анри Пуанкаре (основоположник принципа относительности и создатель 4-мерного пространства), в своей книге "Наука и метод" заявил более категорично: "То, что мы называем массой, есть одна лишь фикция. Всякая инерция- электромагнитного происхождения".
Все эти умозаключения умнейших людей казались невозможными - согласно классической механике Исаака Ньютона- масса тела не зависит от скорости его движения. Но эксперименты 1901-1903 очень талантливого немецкого физика-инженера Вальтера Кауфмана проведенные для исследования эффективной механической массы на примере электрона, показали ту же зависимость, что и для электромагнитной массы.
И вот на волне бурного развития идей электромагнетизма 30 июня 1905 года в журнале "Annalen der Physik" выходит статья "К электродинамике движущихся тел", 26-ти летнего человека, работника патентного бюро- Альберта Эйнштейна.
Так эпоха специальной теории относительности (СТО) окончательно и бесповоротно пробила себе дорогу в жизнь науки. Не буду подробно излагать всю работу, все это хорошо известно, остановлюсь на информации касательно понятия масса. В СТО есть только инертная масса, понятия "гравитационная масса" нет. В своей работе, исходя из соображений электродинамики Джеймса Максвелла, Альберт Эйнштейн также показал (используя собственный вывод формулы) зависимость массы тела от его скорости движения в виде того самого "корешка" -гамма-фактора.
М = γМо, γ = 1/ √(1 − v^2/c^2)
Согласно СТО общая масса тела содержит две инертные массы:
- масса покоя Мо, которая численно равна ньютоновской массе в инерциальной системе отсчета;
- релятивистская масса М, та самая, которая увеличивается с увеличением скорости движения.
Получается следующее- идею ньютоновской массы сохранили, назвав ее массой покоя, а прибавку массы связанную с увеличением скорости назвали релятивистской массой, тем самым сохранили механику Исаака Ньютона, ограничив ее корректную работу в диапазоне скоростей много меньше скорости света. Кроме этого, массу покоя наделили особым свойством:
- инвариантностью инертной массы покоя- неизменность ее величины в разных системах отсчета. Величина массы покоя остается одинаковой для всех наблюдателей из разных систем отсчета, т.е. масса покоя не меняется никогда.
То, что с увеличением скорости тела его общая масса возрастает, в головах многих физиков вызывало серьезную проблему- увеличение скорости тела с его общей массой, т.е. движение тела, логически предполагало рождение новой материи.
По этой причине, в физике фундаментальных процессов понимать массу исключительно как меру количества материи- ошибочно.
Объяснение увеличения массы при движении тела рождением новой материи являлось неприемлемым. Движение тела не могло рождать новую материю, поэтому, встала задача найти этому правильное объяснение. Что и было блестяще сделано Альбертом Эйнштейном. Об этом - тема второй части этой статьи.
Спасибо всем за прочтение моей статьи. Высказать свое мнение - всегда есть возможность в комментариях.