Loading AI tools
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Ця стаття включає опис терміну «E=mc2»; див. також інші значення.
Еквівале́нтність ма́си та ене́ргії — фізична концепція в рамках теорії відносності, згідно з якою енергія фізичного об'єкта (фізичної системи) дорівнює його (її) масі, помноженій на квадрат швидкости світла у вакуумі:
де — енергія об'єкта, — його маса, — швидкість світла у вакуумі, що дорівнює 299 792 458 м/с.
Залежно від того, що розуміють під термінами «маса» та «енергія», дану концепцію може бути інтерпретовано двозначно:
де — енергія спокою тіла, — його інваріантна маса;
де — повна енергія об'єкта, — його релятивістська маса.
Перша інтерпретація не є окремим випадком другої, тому що, хоча енергія спокою є окремим випадком енергії, інваріантна маса не є окремим випадком релятивістської, це дві різні фізичні величини[3].
У сучасній теоретичній фізиці концепцію еквівалентності маси і енергії зазвичай використовується в першому сенсі[4]. Головною причиною, чому приписування маси будь-якого виду енергії вважається невдалим, є наступна з цього повна синонімічність понять маси і енергії. Крім того, неакуратне використання такого принципу може заплутувати і в кінцевому підсумку не є виправданим. Таким чином, у даний час термін «релятивістська маса» у професійній літературі практично не зустрічається, а коли йдеться про масу, мається на увазі інваріантна маса. У той же час термін «релятивістська маса» використовується для якісних міркувань у прикладних питаннях, а також в освітньому процесі та в науково-популярній літературі. При цьому під цим терміном розуміється збільшення інертних властивостей рухомого тіла.
У найуніверсальнішій формі принцип був сформульований вперше Альбертом Ейнштейном у 1905 році, однак уявлення про зв'язок енергії та інертних властивостей тіла розвивалися і в більш ранніх роботах інших дослідників.
У сучасній культурі формула є чи не найвідомішою з усіх фізичних формул, що обумовлюється її зв'язком з атомною зброєю. Крім того, саме ця формула є символом теорії відносності і широко використовується популяризаторами науки[5].
Історично поняття енергії спокою вперше було сформульовано при побудові спеціальної теорії відносності Альбертом Ейнштейном. Ним було показано, що для частинки, що вільно рухається, а також вільного тіла і взагалі будь-якої замкнутої системи частинок, виконуються наступні співвідношення[6]:
де , , , — енергія, імпульс, швидкість і маса частинки відповідно, — швидкість світла у вакуумі. З цих виразів видно, що у релятивістській механіці, навіть коли швидкість і імпульс тіла дорівнюють нулю, його енергія у нуль не обертається[7], залишаючись рівною деякій величині, яка визначається масою тіла:
Ця величина зветься енергія спокою[8]. На підставі цього факту, Ейнштейном було зроблено висновок, що маса тіла є однією з форм енергії[1], і тим самим, що закони збереження маси і енергії поєднані одним законом збереження[9].
Енергія та імпульс тіла є компонентами 4-вектора енергії-імпульсу (4-імпульсу)[10] (енергія — часовий, імпульс — просторові компоненти), і відповідним чином перетворюються при переході з однієї системи відліку в іншу, а маса тіла є лоренц-інваріантом, залишаючись при переході в інші системи відліку сталою, і маючи сенс модуля вектора чотирихімпульсу.
Слід також зазначити, що попри те, що енергія і імпульс частинок адитивні[11], тобто для системи часток маємо:
(1) |
маса частинок адитивною не є[6]. Тобто маса системи частинок, у загальному випадку, не дорівнює сумі мас часток, що її складають.
Таким чином, енергія (неінваріантна, адитивна, часова компонента чотириімпульсу) і маса (інваріантна, неадитивний модуль чотирихімпульсу), це дві різні фізичні величини[3].
4-імпульс дорівнює добутку інваріантної маси на 4-швидкість тіла.
Це співвідношення слід вважати аналогом у спеціальній теорії відносності класичного визначення імпульсу через масу і швидкість.
Після того, як Ейнштейн запропонував принцип еквівалентності маси і енергії, стало очевидно, що поняття маси може інтерпретуватися неоднозначно. З одного боку, це інваріантна маса, яка фігурує у класичній фізиці, з іншого — можна ввести так звану релятивістську масу еквівалентну повній (включаючи кінетичну) енергії фізичного об'єкта[2]:
де — релятивістська маса, — повна енергія об'єкта.
Для масивного об'єкта (тіла) ці дві маси пов'язані між собою співвідношенням:
де — інваріантна («класична») маса, — швидкість тіла.
Енергія і релятивістська маса, це одна, і та ж, фізична величина (неінваріантна, адитивна, тимчасова компонента чотирьохімпульсу)[3].
Еквівалентність релятивістської маси й енергії означає, що у всіх системах відліку, енергія фізичного об'єкта (з точністю до множника ) дорівнює його релятивістській масі[3][12].
Введена таким чином релятивістська маса є коєфіцієнтом пропорційності між тривимірним («класичним») імпульсом і швидкістю тіла[2]:
Аналогічне співвідношення виконується в класичній фізиці для інваріантної маси, що також наводиться як аргумент на користь введення поняття релятивістської маси. Це в подальшому призвело до тези, що маса тіла залежить від швидкості його руху[13].
У процесі створення теорії відносності обговорювалися поняття поздовжньої і поперечної маси масивної частинки (тіла). Нехай сила, що діє на тіло, дорівнює швидкості зміни релятивістського імпульсу. Тоді зв'язок сили і прискорення істотно змінюється у порівнянні з класичною механікою:
Якщо швидкість перпендикулярна силі, то а якщо паралельна, то де — релятивістський фактор. Тому називають поздовжньою масою, а — поперечною
Твердження про те, що маса залежить від швидкості, увійшло у багато навчальні курсів і у силу своєї парадоксальності набуло широкої популярності серед неспеціалістів. Проте у сучасній фізиці уникають використовувати термін «релятивістська маса», використовуючи замість нього поняття енергії, а під терміном «маса» розуміючи інваріантну масу (масу спокою). Зокрема, виділяються такі недоліки введення терміна «релятивістська маса»[4]:
Незважаючи на зазначені недоліки, поняття релятивістської маси використовується і в навчальній[14], і в науковій літературі. Слід, зазначити, що у наукових статтях поняття релятивістської маси використовується здебільшого тільки при якісних міркуваннях як синонім збільшення інертності частинки, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
У класичній фізиці гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона, і його величина визначається гравітаційною масою тіла[15], яка з високим ступенем точності дорівнює за величиною інертній масі, про яку йшла мова вище, що дозволяє говорити про просто масу тіла[16].
У релятивістській фізиці гравітація підпорядковується законам загальної теорії відносності, в основі якої лежить принцип еквівалентності, що полягає у невідмінності явищ, які відбуваються локально в гравітаційному полі, від аналогічних явищ в неінерційній системі відліку, що рухається з прискоренням, яке рівне прискоренню вільного падіння у гравітаційному полі. Можна показати, що даний принцип еквівалентний твердженням про рівність інертної і гравітаційної мас[17].
У загальній теорії відносності енергія відіграє ту ж роль, що і гравітаційна маса у класичній теорії. Величина гравітаційної взаємодії у цій теорії визначається так званим тензором енергії-імпульсу, що є узагальненням поняття енергії[18].
У простому випадку точкової частинки у центрально-симетричному гравітаційному полі об'єкта, маса якого багато більше маси частинки, сила, що діє на частинку, визначається виразом[4]:
де G — гравітаційна стала, M — маса важкого об'єкта, E — повна енергія частинки, v — швидкість частинки, — радіус-вектор, що проведено з центру важкого об'єкта у точку знаходження частинки. З цього виразу видно головну особливість гравітаційної взаємодії у релятивістському випадку у порівнянні з класичною фізикою: воно залежить не тільки від маси частинки, але й від величини та напрямку її швидкості. Остання обставина, зокрема, не дозволяє ввести однозначним чином якусь ефективну гравітаційну релятивістську масу, яка б зводила закон тяжіння до класичного виду[4].
Важливим граничним випадком є випадок частки, маса якої дорівнює нулю. Прикладом такої частки є фотон — частка-носій електромагнітної взаємодії[19]. З наведених вище формул випливає, що для такої частки справедливі наступні співвідношення:
Таким чином, частка з нульовою масою незалежно від своєї енергії завжди рухається зі швидкістю світла. Для безмасових часток введення поняття «релятивістської маси» в особливій мірі не має сенсу, оскільки, наприклад, при наявності сили у поздовжньому напрямку швидкість частинки постійна, а прискорення, отже, дорівнює нулю, що вимагає нескінченної за величиною ефективної маси тіла. У той же час, наявність поперечної сили призводить до зміни напрямку швидкості, і, отже, «поперечна маса» фотона має скінченну величину.
Аналогічно безглуздо для фотона вводити ефективну гравітаційну масу. У разі центрально-симетричного поля, розглянутого вище, для фотона, що падає вертикально вниз, вона дорівнюватиме , а для фотона, що летить перпендикулярно напрямку на гравітаційний центр, — [4].
Отримана Альбертом Ейнштейном еквівалентність маси тіла до енергії, що була запасена у тілі, стала одним з головних практично важливих результатів спеціальної теорії відносності. Співвідношення показало, що у речовині закладені величезні (завдяки квадрату швидкості світла) запаси енергії, які можуть бути використані у енергетиці і військових технологіях[21].
У міжнародній системі одиниць SI відношення енергії і маси E/m виражається у джоулях на кілограм, і воно чисельно дорівнює квадрату значення швидкості світла c у метрах за секунду):
Таким чином, 1 грам маси еквівалентний наступним значенням енергії:
У ядерній фізиці часто застосовується значення відношення енергії та маси, виражене у мегаелектронвольтах на атомну одиницю маси — ≈931,494 МеВ/а.о.м.
Енергія спокою здатна переходити у кінетичну енергію частинок у результаті ядерних та хімічних реакцій, якщо у них маса речовини, що вступила у реакцію, більше маси речовини після реакції. Прикладами таких реакцій є[4]:
У цій реакції виділяється близько 35,6 МДж теплової енергії на кубічний метр метану, що становить близько 10−10 від його енергії спокою. Таким чином, у хімічних реакціях перетворення енергії спокою у кінетичну енергію значно нижче, ніж у ядерних.
Важливо відзначити, що у практичних застосуваннях перетворення енергії спокою у енергію випромінювання рідко відбувається зі стовідсотковою ефективністю. Теоретично досконалим перетворенням було б зіткнення матерії з антиматерією, однак у більшості випадків замість випромінювання виникають побічні продукти і внаслідок цього тільки дуже мала кількість енергії спокою перетворюється в енергію випромінювання.
Існують також зворотні процеси, що збільшують енергію спокою, а отже і масу. Наприклад, при нагріванні тіла збільшується його внутрішня енергія, у результаті чого зростає маса тіла. Інший приклад — зіткнення частинок. У подібних реакціях можуть народжуватися нові частинки, маси яких істотно більше, ніж у вихідних. «Джерелом» маси таких частинок є кінетична енергія зіткнення.
Уявлення про масу, що залежить від швидкості, і про зв'язок між масою і енергією почало формуватися ще до появи спеціальної теорії відносності. Зокрема, у спробах узгодити рівняння Максвелла з рівняннями класичної механіки деякі ідеї були висунуті у статтях Миколи Умова, Дж. Дж. Томсона, Олівера Гевісайда, Роберта Сирла, Макса Абрагама, Гендріка Лоренца та Анрі Пуанкаре[5]. Однак тільки у Альберта Ейнштейна ця залежність універсальна, не пов'язана з ефіром і не обмежена електродинамікою[22].
Вважається, що вперше спроба пов'язати масу й енергію була зроблена в роботі Дж. Дж. Томсона, що з'явилася у 1881 році[4]. Томсон у своїй роботі вводить поняття електромагнітної маси, називаючи так внесок, що привносить в інертну масу зарядженого тіла електромагнітне поле, що створюється цим тілом[23].
Ідея наявності інерції у електромагнітного поля присутня також і в роботі Гевісайда, що вийшла в 1889 році[24]. Виявлені у 1949 році чернетки його рукописів вказують на те, що десь у цей же час, розглядаючи задачу про поглинання і випромінювання світла, він отримує співвідношення між масою і енергією тіла у вигляді [25][26].
У 1900 році Анрі Пуанкаре опублікував роботу, у якій прийшов до висновку, що світло як переносник енергії повинне мати масу, яка визначається виразом де E — енергія, яку переносить світло, v — швидкість переносу[27].
У роботах Макса Абрагама (1902 рік) і Гендріка Лоренца (1904 рік) було вперше встановлено, що для рухомого тіла не можна ввести єдиний коефіцієнт пропорційності між його прискоренням і силою, що діє на нього. Ними були введені поняття поздовжньої і поперечної мас. Ці поняття за допомогою другого закону Ньютона застосовувались для опису динаміки частки, що рухається зі швидкістю близької до швидкості світла[28][29]. Так, Лоренц у своїй роботі писав[30]:
|
Експериментально залежність інертних властивостей тіл від їх швидкості була продемонстрована на початку XX століття у роботах Вальтера Кауфмана (1902 рік)[31] і Альфреда Бухерера (1908 рік)[32].
У 1904–1905 роках Фрідріх Газенорль[en] у своїй роботі приходить до висновку, що наявність у порожнині випромінювання виявляється у тому числі і так, ніби маса порожнини збільшилася[33].
У 1905 році з'являється відразу цілий ряд основоположних робіт Альберта Ейнштейна, у тому числі і робота, присвячена аналізу залежності інертних властивостей тіла від його енергії[34]. Зокрема, при розгляді випускання масивним тілом двох «кількостей світла» у цій роботі вперше вводиться поняття енергії спокою тіла і робиться наступний висновок[35]:
|
У 1906 році Ейнштейн вперше говорить про те, що закон збереження маси є всього лише окремим випадком закону збереження енергії[36].
У більш повній мірі принцип еквівалентності маси і енергії був сформульований Ейнштейном у роботі 1907[37], у якій він пише
|
Під спрощеним припущенням тут мається на увазі вибір довільної постійної у виразі для енергії. У більш докладній статті, що вийшла в тому ж році[1], Ейнштейн зауважує, що енергія є також і мірою гравітаційної взаємодії тіл.
У 1911 році виходить робота Ейнштейна, присвячена гравітаційному впливу масивних тіл на світло[38]. У цій роботі їм приписується фотону інертна і гравітаційна маса, що дорівнює і для величини відхилення променя світла у полі тяжіння Сонця виводиться значення 0,83 дугової секунди, що у два рази менше правильного значення, отриманого ним же пізніше на основі розвинутої загальної теорії відносності[39]. Цікаво, що те ж саме половинне значення було отримано Зольднером[en] ще у 1804 році, але його робота залишилася непоміченою[40].
Експериментально еквівалентність маси і енергії було вперше продемонстровано у 1933 році. У Парижі Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі зробили фотографію процесу перетворення кванта світла, що несе енергію, у дві частинки, які мають ненульову масу. Приблизно у той же час у Кембриджі Джон Кокрофт та Ернест Томас Синтон Волтон спостерігали виділення енергії при діленні атома на дві частини, сумарна маса яких виявилася меншою, ніж маса вихідного атома[41].
З моменту відкриття формула стала однією з найвідоміших фізичних формул і є символом теорії відносності. Незважаючи на те, що історично формула була вперше запропонована не Альбертом Ейнштейном, зараз вона асоціюється виключно з його ім'ям, наприклад, саме ця формула була використана як назва телевізійної біографії відомого вченого, що вийшла у 2005 році[42]. Популярності формули сприяло широке використання популяризаторами науки контрінтуїтивний висновок, що маса тіла збільшується зі збільшенням його швидкості. Крім того, з цією ж формулою асоціюється потужність атомної енергії[5]. Так, у 1946 році журнал «Time» на обкладинці зобразив Ейнштейна на тлі гриба ядерного вибуху з формулою на ньому[43][44].
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.