е мс2 формула чего
Сотворение мира 7 Эквивалентность массы и энергии
Александр Сергеевич Суворов (Александр Суворый)
Часть 7. ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ МАССЫ И ЭНЕРГИИ.
Всем, вероятно, известна знаменитая формула Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» E = mc2, где E – полная энергия объекта, m – его масса, c – скорость света в вакууме, равная 299 792 458 метров в секунду (около 300 000 км/с).
Скорость света в вакууме (в пустоте космоса) – это абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Пока это фундаментальная постоянная величина, которая не зависит от выбора «инерциальной системы отсчёта». Считается, что скорость света одинакова в любой точке пространства-времени-материи современной физической Вселенной.
Также считается, что скорость света – это «предельная скорость движения» элементарных частиц материи и сил взаимодействий этих частиц друг с другом.
Формула Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» E = mc2 означает алгоритм или процесс взаимного превращения массы, то есть физического вещества, материи-пространства-времени и энергии, то есть некоего движения, состояния, превращения, преобразования, процесса существования этой материи-пространства-времени…
Дело в том, что пространство, материя и время не могут существовать друг без друга. Все они физические или вещественные, то есть количественно-качественные феномены (физические явления, фактические события, реальные процессы, действительные вещи).
Материя – это параметры феномена существования какого-либо вещества, вещи, субъекта или объекта. Пространство – это феномен места, области или сферы существования какой-либо материи. Время – это феномен изменения количественно-качественных состояний существования феноменов пространства-материи.
При этом слово-понятие или феномен «существование» означает всевозможные моменты, события, варианты, фазы, периоды и циклы «жизнедеятельности» пространства-материи-времени, то есть возникновения, развития, изменения, исчезновения, преобразования, взаимодействия и т.д.
Формула Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» раскрывает взаимозависимость энергии и массы пространства-материи-времени и «читается» просто:
«Энергия – это некая (любая?) материальная вещественная масса, движущаяся со скоростью равной квадрату скорости света в вакууме».
Иными словами, если некую (любую?) материальную вещественную массу разогнать до скорости равной квадрату скорости света, то есть до скорости 90 000 000 000 км/с (девяносто миллиардов километров в секунду), то эта масса превратится в полную энергию.
Получается, что энергия – это некое состояние пространства-времени-материи в движении, в превращении, в преобразовании, во взаимодействии, выражение и проявление пространства-времени-материи при переходе из одних в другие формы своего существования и жизнедеятельности.
Тогда, что такое масса?
По формуле Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» получается, что:
«Масса – это некая (любая?) энергия, «затормозившаяся» в своём движении со скоростью равной квадрату скорости света в вакууме».
Иными словами, если некий (любой?) энергичный феномен (процесс, событие, действие) затормозить или остановить со скоростью равной квадрату скорости света, то есть со скоростью 90 000 000 000 км/с (девяносто миллиардов километров в секунду), то эта энергия превратится в полную массу.
Вероятно, многие из читателей могли ощутить и почувствовать эту закономерность при езде на велосипеде, в машине, в поезде, в самолёте. При резком торможении тело просто «наливается» тяжестью, тяжелеет, становится по ощущениям массивнее…
Другой пример. Маленькая пистолетная пуля весит всего 9 грамм. Пуля, выпущенная из ствола пистолета с начальной дульной скоростью (на срезе дула пистолета) 300-500 м/с, при попадании в некий объект (цель, физическое тело, материю разной плотности) почти мгновенно тормозится.
Скорость торможения пули в теле зависит от многих факторов, в том числе от плотности этого тела. В результате удара уже не девятиграммовой пули образуется мощная ударная волна с энергией в несколько тысяч джоулей. Эта энергия «передаётся» в концентрированном (точечном) виде объекту, телу, цели.
Вот так маленькая девятиграммовая пуля, спокойно лежащая на столе, может превратиться в страшную разрушительную энергию и массу…
Отсюда в соответствии с формулой Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» простой вывод:
«Некая (любая?) масса тождественно равна энергии покоя»
«Некая инвариантная масса (масса тела, масса покоя) равна энергии покоя или внутренней энергии, заключённой в этой массе, которая может полностью «выплеснуться», проявиться, «выразиться», осуществиться со скоростью равной квадрату скорости света в вакууме».
Из формулы Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» получается, что «любому виду энергии (их много) физического или материального объекта (любого, не обязательно вещественного тела) соответствует некая масса» и наоборот, «любой некоей массе физического или материального объекта соответствует некая полная энергия, заключённая в этом объекте, в том числе соответствующие виды иных энергий».
Как видно из формулы Эйнштейна «эквивалентности массы и энергии» не меняется только одна составляющая этой системы взаимодействия и эквивалентности (взаимозависимости) энергии и массы – скорость света, возведённая в квадрат, то есть 90 000 000 000 километров в секунду.
С такой скоростью, вероятно, схлопывалось (коллапсировалось) пространство-материя-время в мгновения гибели «родительской» Анти- Вселенной и одновременно зарождалось (возрождалось) пространство-материя-время нашей современной «сыновьей» физической Вселенной.
С такой, вероятно, скоростью происходят процессы глобальной или абсолютной аннигиляции – взаимного уничтожения и одновременно преобразования, превращения, преображения, превращения некоей материи и антиматерии при их проникающем взаимодействии.
С такой скоростью (точно) происходит превращение (преобразование) полной энергии в полную массу (в некий физический объект) и полной массы (некоего физического объекта) в полную энергию (движение).
При меньших (не полных) энергиях и массах, которые взаимодействуют со скоростями меньше 90 000 000 000 км/с, происходят процессы дробления, частичной аннигиляции, соответствующего превращения, преобразования, изменения и т.д.
Например, при разных скоростях (энергиях) столкновения электрона и позитрона (частицы и античастицы) в результате неполной аннигиляции получаются два или три фотона (гамма-кванта), или много фотонов, а при процессе близком к полной аннигиляции – андроны.
Кстати, андроны (барионы и мезоны) – продукты аннигиляции электронов и позитронов – опять состоят из неких элементарных частиц (кварков), «подвержены сильному взаимодействию» и обладают такими феноменальными свойствами, как «странность», «очарование», «красота, «экзотика» и др.
Преобразование и эквивалентность массы и энергии по формуле Эйнштейна должно взаимно влиять на характеристики любых физических феноменов. Например, если материальный объект поглощает энергию, то его масса растёт. Если материальный объект излучает энергию, то масса объекта уменьшается на величину потерянной энергии.
Особенно ярко и зримо преобразование и эквивалентность массы и энергии проявляется в ядерных реакциях, например, в атомном взрыве при реакции ядерного распада, в термоядерной реакции при реакции ядерного синтеза, в ядерных реакциях распада и синтеза в недрах звёзд и «чёрных дыр».
Там, в этих ядерных реакциях участвуют мельчайшие или элементарные частицы, вероятно, «осколки первичной материи» родительской Анти- Вселенной (античастицы) и элементарные частицы нашей физической современной Вселенной.
Они:
взаимодействуют друг с другом,
обмениваются массами и энергиями,
группируются в разнообразные частицы с разнообразными характеристиками и свойствами,
формируют устойчивые и/или неустойчивые масс-образования и энерго-поля,
создают места, области и сферы пространства-материи-времени,
образуют
атомы,
группы атомов,
молекулы,
скопления газов и космической пыли,
кусочки, куски и огромные скопления масс разнообразной материи,
проявляются в виде и в формах различных излучений и выплесков энергии
и
осуществляют ещё множество разнообразных взаимодействий, которые известны науке лишь частично.
Наименование этих элементарных образований масс-энергий ядерных реакций одно – элементарные частицы.
Одним из таких элементарных образований масс-энергий является то, что первым создал Бог в момент начала первого дня библейского сотворения мира – это свет.
Что же это такое «свет»? Каким образом он был создан или возник?
E = mc²: Самое знаменитое уравнение Эйнштейна
Это гораздо больше, чем взаимосвязь массы-энергии, это ключ к пониманию квантовой Вселенной.
В течение сотен лет существовал непреложный закон физики, который никогда не оспаривался: при любой реакции, происходящей во Вселенной, масса вещества сохранялась. Независимо от того, что с чем реагирует, масса исходных веществ и масса получившихся будет равна. Но, по законам специальной теории относительности, масса просто не может быть конечной сохраненной величиной, так как разные наблюдатели не соглашались бы с тем, что такое энергия системы. Вместо этого Эйнштейн смог получить закон, который мы используем сегодня, управляемый одним из самых простых, но самых мощных и изящных уравнений из всех существующих:
В самом известном уравнении Эйнштейна есть только три составляющих:
Это уравнение полностью меняет мир. Как выразился сам Эйнштейн:
Из специальной теории относительности следует, что масса и энергия — это одновременно разные проявления одного и того же — несколько необычная концепция для среднего ума.
Вот три самых важных по значимости вывода, которые следуют из этого простого уравнения:
Факт эквивалентности массы-энергии привел Эйнштейна к его величайшему достижению: Общей теории относительности. Представьте, что у вас есть частица материи и частица антивещества, каждая из которых имеет одинаковую массу покоя. Вы можете уничтожить их, и они будут производить фотоны определенного количества энергии, точного количества, заданного формулой E=mc². Теперь представьте, что пара частиц/античастиц движется очень быстро, как будто они падают из космоса, а затем самоуничтожаются вблизи поверхности Земли. Эти фотоны теперь будут иметь дополнительную энергию: не только E от E = mc², но и дополнительную E от количества кинетической энергии, которую они получили при падении.
Если мы хотим сохранить энергию, мы должны понять, что гравитационное красное смещение (а также синее смещение) должно быть реальным. Теория всемирного тяготения Ньютона не может объяснить этого, но в Общей теории относительности Эйнштейна кривизна пространства означает, что попадание в гравитационное поле заставляет вас получать энергию, а выход из гравитационного поля заставляет вас терять энергию. Тогда полное и общее отношение для любого движущегося объекта — это не только E=mc², но и E²=m²c⁴+ p²c² (где p — импульс.) Только обобщая вещи, включающие энергию, импульс и гравитацию, мы можем действительно описать Вселенную.
Что на самом деле означает знаменитая формула Эйнштейна?
Уравнение E=mc² мелькает везде: от кепок до наклеек на бамперах. В 2008 году Мэрайя Кэри даже назвала так свой альбом. Но что, в сущности, означает знаменитое уравнение относительности, выведенное Альбертом Эйнштейном?
Для начала, E — это энергия, M — это масса, измерение количества вещества. Энергия и материя взаимозаменяемы. Кроме того, важно помнить, что во Вселенной есть установленное количество энергии и материи. Энергия постоянно перетекает в материю и обратно. Ничего не исчезает бесследно.
Теперь поговорим о c². Это часть уравнения, которая обозначает скорость света в квадрате. Получается, что энергия равна количеству массы, умноженной на скорость света в квадрате.
Почему нам нужно умножать материю на скорость света, чтобы получить энергию? Причина в том, что энергия, будь это световые волны или радиация, движется со скоростью света. Это 300 000 километров в секунду. Когда мы разбиваем атомы в ядерном реакторе или атомной бомбе, энергия вырывается со скоростью света.
Но почему скорость света в квадрате? Причина в том, что кинетическая энергия или энергия движения пропорциональна массе. Когда вы ускоряете объект, кинетическая энергия увеличивается на сумму скорости в квадрате. Вот отличный пример, с которым сталкивается любой водитель: если вы увеличите скорость в два раза, тормозной путь будет в четыре раза дольше, потому что тормозной путь равен квадрату скорости.
Уравнение Эйнштейна открыло двери для многочисленных технологических достижений в разных сферах, от ядерной энергетики и ядерной медицины до «одомашнивания солнца». Не так давно мы писали, что NASA планирует оснастить небольшим термоядерным реактором каждый дом и автомобиль, только основан он будет не на энергии распада, а на энергии синтеза. Дело очень непростое, но только подумайте: небольшое количество вещества может обеспечить вас энергией до конца ваших дней. Эйнштейн был весьма незаурядным физиком, и многие склонны искать причину его гениальности в мозге.
Читайте подробнее о «сером веществе» автора теории относительности.
Спросите Итана: по какой фундаментальной причине E = mc²?
Альберт Эйнштейн в 1920 году. Хотя он и совершил множество прорывов в физике, от специальной и общей теорий относительности до фотоэлектрического эффекта и статистической механики, многие задачи он решить не сумел. Самым его знаменитым уравнением остаётся E = mc².
Спросите любого человека, даже не разбирающегося в науке, о достижениях Эйнштейна, и вам приведут в пример самое его знаменитое уравнение: E = mc². Проще говоря, оно означает, что энергия равняется массе, перемноженной с квадратом скорости света. И это очень многое говорит о нашей Вселенной. Единственное уравнение говорит о том, сколько энергии содержится в массивной частице в состоянии покоя, и сколько энергии требуется для создания частиц и античастиц. Оно говорит нам о том, сколько энергии высвобождается в ядерных реакциях, и сколько энергии порождает аннигиляция материи с антиматерией.
Но почему? Почему энергия равняется массе, перемноженной с квадратом скорости света? Почему не как-то иначе? Об этом спрашивает наш читатель:
Уравнение Эйнштейна потрясающе элегантное. Но реальна ли его простота, или же только кажется? Выводится ли оно напрямую из эквивалентности энергии любой массы и квадрата скорости света (а это вообще кажется удивительным совпадением)? Или оно существует только потому, что его члены определены удобным способом?
Отличный вопрос. Давайте исследуем самое знаменитое уравнение Эйнштейна, и посмотрим, почему оно не могло быть другим.
Подготовка к испытаниям ракеты с ядерным двигателем, 1967. Она работает на преобразовании массы в энергию, в основе которого лежит знаменитое уравнение E = mc².
Для начала нужно кое-что понять касательно энергии. Её очень сложно определить, особенно далёкому от физики человеку. Навскидку мы можем придумать несколько примеров.
Фотоэлектрический эффект описывает ионизацию электронов фотонами в зависимости от длин волн отдельных фотонов, а не от интенсивности света, суммарной энергии или какого-либо ещё свойства. Если у кванта света достаточно энергии, он может взаимодействовать с электроном, ионизировав его, выбив его из материала, что даст сигнал, который можно обнаружить. Такие фотоны переносят энергию и выполняют работу над ударяемыми ими электронами.
У работы есть своё физическое определение: это сила, прикладываемая в направлении, совпадающем с направлением движения предмета, умноженная на расстояние его перемещения. Поднятие штанги на определённую высоту требует провести работу против силы гравитации, и увеличивает гравитационную потенциальную энергию. Отпустив штангу, мы преобразуем её гравитационную потенциальную энергию в кинетическую. Ударяющая пол штанга преобразует кинетическую энергию в комбинацию из тепловой, механической и звуковой энергии. Энергия в этих процессах не создаётся и не уничтожается, а преобразуется из одной формы в другую.
Большинство людей размышляют о формуле E = mc² в терминах анализа размерностей. Они говорят: так, энергия измеряется в Джоулях, а Джоуль – это килограмм на метр в квадрате на секунду в квадрате. Поэтому, чтобы превратить массу в энергию, нужно умножить это на метр в квадрате, делённый на секунду в квадрате. При этом у нас есть фундаментальная константа с размерностью метр/секунда. Эти рассуждения разумны, но не достаточны.
Ведь вы можете измерять любую скорость в метрах в секунду, а не только скорость света. Кроме того, природе никто не запрещает выдать пропорциональную константу – какой-нибудь множитель типа ½, ¾, 2π, и т.п., чтобы сделать уравнение верным. Чтобы понять, почему уравнение должно выглядеть, как E = mc², и почему других вариантов быть не может, нам надо представить физическую ситуацию, в которой можно будет различить разные интерпретации. Такой теоретический инструмент известен, как «мысленный эксперимент» (или gedankenexperiment, как сказал бы Эйнштейн), и стал одной из великих идей, появившихся в голове Эйнштейна и укоренившихся в научном мейнстриме.
Мы можем представить, что у частицы есть энергия, присущая её массе покоя, и энергия её движения – кинетическая. Можно представить, что частица начала свой путь, находясь высоко в гравитационном поле, то есть с большим запасом потенциальной энергии, но изначально не двигалась. Если мы её уроним, потенциальная энергия превратится в кинетическую, а энергия массы покоя останется той же. Перед самым ударом о землю никакой потенциальной энергии у неё не останется – только кинетическая и энергия массы покоя, какие бы они ни были.
У обозначенной оранжевым частицы, покоящейся над поверхностью земли, не будет кинетической энергии, но будет большой запас потенциальной. Если её отправить в свободное падение, она приобретёт кинетическую энергию, в которую превратится потенциальная.
Теперь добавим ещё одну идею: что у всех частиц есть двойники-античастицы, и что когда они сталкиваются друг с другом, то аннигилируют, выделяя чистую энергию.
Да, E = mc² описывает взаимоотношение массы и энергии, включая количество энергии, необходимое для создания из ничего пар частица-античастица, и то, сколько энергии вы получите, когда такая пара аннигилирует. Но мы пока этого не знаем, мы хотим это доказать!
Давайте представим, что у нас не одна частица находится высоко в гравитационном поле, а сразу и частица, и античастица, и они готовы упасть. Рассмотрим два разных сценария развития, и изучим их последствия.
Появление пар частица-античастица (слева) из чистой энергии – реакция полностью обратимая (справа), они могут аннигилировать, превратившись в энергию. Но для многих систем частиц обратимость не гарантирована.
Сценарий 1: частица и античастица падают, и аннигилируют прямо перед ударом о землю. Ситуация похожа на описанную ранее, просто мы её удвоили. И частица, и античастица начинали с некоего количества энергии массы покоя. Мы не знаем, сколько её было, просто знаем, что у частицы и античастицы они одинаковые, поскольку массы частиц идентичны массам соответствующих античастиц.
Теперь они обе падают, превращая потенциальную гравитационную энергию в кинетическую, в дополнение к их энергии массы покоя. Как и в предыдущем случае, перед ударом о землю вся их энергия заключена в двух видах – энергии массы покоя и кинетической. Только теперь перед самым столкновением они аннигилируют, превращаясь в два фотона, общая энергия которых должна равняться сумме энергий массы покоя и кинетических энергий обеих частиц.
Однако для фотона, массы не имеющего, энергия описывается одним только импульсом, помноженным на скорость света: E = pc. Какой бы ни была энергия обеих частиц перед столкновением с землёй, энергия этих фотонов должна в сумме давать сумму энергий частиц.
Если пара частица-античастица аннигилирует в чистую энергию (два фотона), имея в запасе много гравитационной потенциальной энергии, то в энергию фотона перейдёт только масса покоя (оранжевый). Если уронить эти частицы вниз, чтобы они аннигилировали непосредственно перед ударом, у них будет больше энергии, что приведёт к появлению более синих фотонов.
Сценарий 2: частица и античастица аннигилируют в чистую энергию, а потом падают вниз до земли в виде фотонов с нулевой массой покоя. Тогда вся их энергия массы покоя превратится в энергию фотонов.
Получается, что в данном случае общая энергия этих фотонов, у каждого из которых есть энергия E = pc, должна быть равной сумме энергий масс покоя частицы и античастицы.
Теперь представим, что эти фотоны добрались до поверхности планеты, и после этого мы измеряем их энергию. По закону сохранения, их энергия должна равняться энергии фотонов из первого сценария. Значит, фотон должен набирать энергию, падая в гравитационном поле. Это явление известно, как гравитационный синий сдвиг. Кроме того, из этого следует идея о том, что масса покоя частицы должна равняться E = mc².
Когда квант излучения покидает гравитационное поле, его частота должна испытать красный сдвиг, чтобы энергия сохранилась. При падении частота должна сдвинуться в синий диапазон. Это имеет смысл, только если гравитация связана не только с массой, но и с энергией. Гравитационное красное смещение – одно из ключевых предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна. Но его только недавно проверили в окружении с такими сильными полями, как центр нашей Галактики.
Есть только одно определение энергии, подходящее ко всем частицам, и имеющим, и не имеющим массу, и удовлетворяющее сценариям 1 и 2, которые должны выдать одинаковые результаты. E = √(m 2 c 4 + p 2 c 2 ). Посмотрим, что с ним будет в разных ситуациях.
Вверху: фотон движется внутри коробки. В середине: коробка поглотила фотон. Внизу: фотон переиспущен в противоположном направлении. Из такого эксперимента, принимая законы сохранения энергии и импульса, можно вывести знаменитое E = mc².
Конечно, так выводить E = mc² не стоит, но это мой любимый способ иллюстрации этой задачи. Могу порекомендовать ещё три способа иллюстрации, а также описание того, как это сделал сам Эйнштейн. Второй моей любимой иллюстрацией вывода этой формулы будет рассмотрение фотона, движущегося в неподвижной коробке с зеркалом на одной из стенок.
Когда фотон сталкивается с зеркалом, он на некоторое время поглощается, в результате чего коробка должна приобрести немного энергии, и начать двигаться в том же направлении, что и фотон – это единственный способ сохранить энергию и импульс.
После переиспускания фотон движется в противоположном направлении, поэтому коробке (потерявшей немного массы после переиспускания фотона) нужно двигаться вперёд ещё быстрее.
И хотя тут много неизвестных, в такой ситуации можно написать множество уравнений, которым необходимо совпадать. Общая энергия всех частей системы и общий момент должны быть эквивалентными. Если решить эти уравнения, получится только одно определение энергии массы покоя: E = mc².
Эйнштейн выводит Специальную теорию относительности перед зрителями, 1934 год. Если потребовать сохранения энергии и применить теорию относительности к подходящим системам, необходимо, чтобы E = mc².
Можно представить себе совсем не такую вселенную, в которой мы живём. Возможно, там не сохраняется энергия – и тогда формула E = mc² может не быть универсальным выражением массы покоя. Возможно, мы могли бы нарушить закон сохранения импульса – тогда наше определение общей энергии, E = √(m 2 c 4 + p 2 c 2 ), не было бы верным. А если бы там не действовала Общая теория относительности, или импульс и энергия фотона не были бы связаны соотношением E = pc, тогда E = mc² не была бы универсальной формулой для массивных частиц.
Но в нашей Вселенной энергия сохраняется, и работает Общая теория относительности. Поэтому нужно просто подобрать подходящие условия эксперимента. И даже не проводя его на самом деле, можно прийти только к одному непротиворечивому значению для энергии массы покоя частицы. Можно представить себе вселенную, в которой взаимоотношение массы и энергии были бы другими, но она была бы совсем непохожей на нашу. И это не просто удобное определение – это единственный способ сохранить энергию и импульс с имеющимися у нас законами физики.