Взаимосвязь массы и энергии уравнение эйнштейна

Формула Эйнштейна: связь между энергией и массой любого вещества

Центральную роль в изучении атомных ядер (их реакций) и рассмотрении структуры элементарных частиц играет теория относительности, а также формула энергии Эйнштейна. Постулатом данной теории является связь между энергией и массой. Опираясь на принцип сбережения энергии и непосредственное влияние массы на скорость объекта при движении, опровергать данную теорию было бы глупо.

Влияет ли температура на массу

Примером может послужить опыт, в ходе которого исследуется нагретый в сосуде газ. Увеличивая температуру, наблюдаем, как возрастает скорость передвижения молекул. Благодаря формуле становится понятным, что масса молекул возрастает, и внутренняя энергия, возникающая при росте температуры газа, влияет на их вес.

Что обозначает формула Эйнштейна

Как и у всякой аксиомы и теоремы, у формулы есть свое практическое и теоретическое значение. Опираясь на многолетние исследования и опыты, была получена формула Эйнштейна для данной взаимосвязи: E=mc 2 , где Е — это энергия, m — это масса, с 2 — это скорость света в квадрате. Это гениальная и простая формула, которая позволяет точно рассчитать эти важные физические значения тела.

Из-за мизерного значения коэффициента можно наблюдать и деформацию массы, и как действует знаменитая формула Эйнштейна воочию при значительном градиенте энергии. В обычных условиях действие этого закона без специального оборудования определить очень сложно. В иных случаях вероятность их обнаружения ничтожно низка, хотя формула Эйнштейна все так же может быть применима. Добиться желаемых наглядных результатов можно лишь с помощью деформации атомных ядер и элементарных частиц.

Значительные количества энергии выделяются при взрыве термоядерного оружия и распространяется в совокупности с радиацией. Данное излучение, равно как и масса энергии, имеет значение 0,1% от общего веса исходных объектов.

Однако формула Эйнштейна распространяется также на объекты, находящиеся в покое. Эти тела имеют массу, несмотря на отсутствие движения.

В данном случае, уравнение эйнштейна принимает следующий вид: E₀ = m₀c 2 .
Согласованность между мощностью и массой объекта, пребывающего в покое, является пропорциональной. Альберт эйнштейн формула которого рассматривалась выше, опытным путем доказал данную взаимосвязь. Одним же из бесспорных доказательств явления энергии покоя является возникновение кинетической энергии при трансформации частиц, масса которых имеет коэффициент равный одному (и более) в частицы с нулевым весом, а следовательно уравнение Эйнштейна работает.

Консорциум законов в науках

Для лучшего понимания данной темы следует сперва рассмотреть такие понятия: инвариантность — резервирование начальных значений величин, вне зависимости от перемены физических параметров или преобразований; симметрия — инвариантность предмета изучения (структуры, свойств, форм объекта).

Принцип инвариантности касательно перемещений в пространстве и во времени — это один из аспектов, на котором базируются законы природы. Его смысл состоит в том, что, несмотря на смещения, происходящие во времени и в пространстве, это никоим образом не затрагивает физические процессы.

Инвариантность и симметрия

Между инвариантностью и симметрией существует связь, характеризующаяся неизменностью свойств и структур объекта вне зависимости от происходящих преобразований. Рассмотрим более подробно эти понятия.

Примером в данном случае служит строение кристаллов. Один образец может быть объединен сам с собой за счет ряда таких трансформаций, как: отражение, повороты, параллельные переносы и т.д. благодаря своей конструкции, форме и характерным чертам.

Понятие орнамента, по сути, является праотцом идеи симметрии, на которой зиждется множество других фундаментальных законов.

Однотипность пространства представляет собой состояние системы тел (замкнутой), которое остается неизменным при синхронном переносе и при этом отсутствует зависимость от выбора начальной точки координат перемещения.

Из идеи симметрии формируется закон сохранения (неизменности) импульса, являющийся одним из китов, на котором стоит закон природы. Закон сохранения импульса применим как к замкнутым, так и к незамкнутым системам, однако во втором случае необходимо выполнение определенного условия: при сложении всех внешних сил суммарное значение должно приравниваться к нулю.

Влияние числового выражения времени

Однотипность времени характеризуется неизменностью физических законов в отношении начала отсчета времени. Рассмотрим свободное падение тела. В данном случае наблюдается зависимость пройденного пути и скорости от начальной скорости и времени свободного падения объекта, а вот время начала падения не играет никакой роли.

То, что из одной идеи вытекает другая — нередкий феномен в науке. Так и однотипность времени напрямую объединена с законом сбережения механической энергии. Смысл ее состоит в том, что, невзирая на изменение времени, механическая энергия сохраняет свои первоначальные свойства в системе объектов, объединенных консервативными силами. Консервативные силы — это определенные факторы, воздействие которых наблюдается в потенциальных полях. Они напрямую зависят от базисной и финальной точек смещения. Путь перемещения при этом не учитывается.

Что такое диссипативная сила

Диссипативная сила — зависящая от траектории смещения тела. Примером может являться сила трения, возникающая вследствие движения предмета по другой поверхности.

Однако, если предмет изучения обладает обеими силами (консервативной и диссипативной), механическая энергия у него не будет сохраняться. Таким образом, принцип сбережения механической энергии в случае с подобными системами не действует. Хотя механическая энергия в данном случае не сохраняется и постепенно убывает, ее сменяет равноценное количество энергии, но уже иного типа. Соответственно, энергия банально претерпевает определенные деформации, преобразовываясь в энергию иного вида, но не пропадает, ведь «ничто не берётся из ниоткуда и не пропадает бесследно». Собственно, это и является сутью закона сбережения и изменения энергии.

Вклад других ученых

Ряд выдающихся ученых вложил свою долю в формирование представления закона сохранения энергии. «Первооткрывателем» сего принципа стал М.В. Ломоносов (1711—1765), описав закономерности сбережения энергии материи и движения. Дополнили его идею немецкие ученые — врач Ю. Майер (1814—1878) и естествоиспытатель Г. Гельмгольц (1821—1894), предоставив количественное описание данного положения.

Нельзя обойти стороной еще одно интересное свойство гармонии пространства, которое носит название изотропность. Данный термин представляет собой постоянство и неизменность физических законов, относительно определения направления осевых линий координат с учетом отклонения замкнутой системы на произвольный угол.

Практика и теория: Ньютон

Задолго до того, как была выведена формула Эйнштейна, известный ученый Исаак Ньютон не только теоретически, но и практически реализовал идеи, которые легли в основу принципов, описывающих природные явления с помощью математического аппарата. Данные идеи были в дальнейшем изложены в его труде «Оптика». В своем произведении он предлагает взять для рассмотрения некоторое количество явлений, определить те принципы движения, которые являются для них общими, после чего провести их детальный анализ. Это поможет определить свойства и действия всех материальных объектов. Данному подходу в теории познания присущ аксиоматический характер.

Три значения самого знаменитого уравнения Эйнштейна

Эйнштейн выводит СТО перед аудиторией; 1934.

Сотни лет в физике присутствовал непреложный закон, в котором никогда не сомневались: в любой реакции, происходящей во Вселенной, сохраняется масса. Неважно, какие ингредиенты использовать, какая реакция произошла, и что получилось – сумма того, с чего вы начинали, и сумма того, с чем вы оказывались, будут равными по массе. Но по законам специальной теории относительности масса не может быть сохраняющейся величиной, поскольку различные наблюдатели не согласятся по поводу того, какой энергией обладает система. Вместо этого Эйнштейн смог вывести закон, который мы используем и по сей день, управляемый одним из простых и наиболее мощных уравнений: E=mc 2 .

Ядерную ракету готовят к испытаниям в 1967. Ракета работает на преобразовании массы в энергию, E = mc 2 .

У самого знаменитого уравнения Эйнштейна всего три составляющих:

1. E, или энергия, полностью занимающая одну часть уравнения, и представляющая полную энергию системы.
2. m, масса, связанная с энергией через преобразовательный множитель.
3. c 2 , квадрат скорости света – нужный фактор, обеспечивающий эквивалентность массы и энергии.

Нильс Бор и Альберт Эйнштейн обсуждают множество тем дома у Пауля Эренфеста в 1925. Дебаты Бора с Эйнштейном были наиболее влиятельным фактором во время разработки квантовой механики. Сегодня Бор наиболее известен своим вкладом в квантовую физику, а Эйнштейн – за вклад в теорию относительности и эквивалентность энергии и массы.

Смысл этого уравнения изменил весь мир. Как писал сам Эйнштейн:

Из специальной теории относительности следовало, что масса и энергия – разные проявления одной вещи. Эта концепция была незнакома среднему человеку.

И вот три самых значимых следствия этого простого уравнения.

Кварки, антикварки и глюоны Стандартной модели обладают цветным зарядом, в дополнение ко всем другим свойствам вроде массы и электрического заряда. Не имеют массы только глюоны и фотоны; все остальные, даже нейтрино, обладают ненулевой массой покоя.

Даже у покоящихся масс есть присущая им энергия. В школе вы изучали все типы энергий – механическую, химическую, электрическую, кинетическую. Все эти виды энергий присущи движущимся или реагирующим объектам, и эти формы энергии можно использовать для выполнения работы, например, для запуска двигателя, свечения лампочки или перемалывания зерна в муку. Но даже обычная масса покоя обладает присущей ей энергией: и огромным количеством. Это ведёт к потрясающему следствию: гравитация, возникающая между двумя любыми массами в ньютоновой вселенной, тоже должна работать на основании энергии, эквивалентной массе согласно уравнению E = mc 2 .

Создание пар частиц из материи/антиматерии из чистой энергии (слева) – реакция полностью обратимая (справа), ведь материя и антиматерия могут аннигилировать, породив чистую энергию. Этот процесс сотворения и аннигиляции подчиняется уравнению E = mc 2 , и является единственным известным способом создания и уничтожения материи и антиматерии.

Массу можно преобразовать в чистую энергию. Это второе значение уравнения, и E = mc 2 сообщает нам, сколько точно энергии можно получить при преобразовании массы. На каждый килограмм массы, превращающейся в энергию, получится 9 × 10 16 Дж энергии, что эквивалентно 21 мегатонн ТНТ. Наблюдая за радиоактивным распадом, или реакциями деления или синтеза ядер, можно видеть, что итоговая масса оказывается меньше начальной; закон сохранения массы не работает. Но разница равняется количеству освобождённой энергии! Это работает для всех случаев, от распада урана и атомных бомб до ядерного синтеза в ядре Солнца и аннигиляции частиц материи/антиматерии. Уничтожаемая масса превращается в энергию, количество которой рассчитывается по формуле E = mc 2 .

Следы частиц, порождаемых высокоэнергетическими столкновениями на Большом адронном коллайдере, 2014. Композитные частицы распадаются на компоненты, которые рассеиваются в пространстве, но также появляются и новые частицы, благодаря энергии, доступной при столкновении.

Энергию можно использовать для создания массы практически из ничего – просто из чистой энергии. Последнее значение формулы наиболее выдающееся. Если взять два бильярдных шара и сильно столкнуть их вместе, то на выходе получится два бильярдных шара. Если взять фотон и электрон и столкнуть их вместе, то получится фотон и электрон. Но если столкнуть их с достаточно большой энергией, то получится фотон, электрон и новая пара частиц материи/антиматерии. Иначе говоря, можно создать две новые массивные частицы:

• частицу материи, например, электрон, протон, нейтрон, и т.п.,
• частицу антиматерии, например, позитрон, антипротон, антинейтрон и т.п.

которые появятся, только если вложить в эксперимент достаточно энергии. Именно так на ускорителях, таких, как БАК в ЦЕРН, ищут новые, нестабильные высокоэнергетические частицы (такие, как бозон Хиггса или верхний кварк): создавая новые частицы из чистой энергии. Получающаяся масса возникает из доступной энергии: m = E/c 2 . Это также означает, что время жизни частицы ограничено, то из-за принципа неопределённости Гейзенберга ей присуща неопределённость значения массы, поскольку δE δt

ℏ, и, следовательно, из уравнения Эйнштейна следует и соответствующая δm. Когда физики рассуждают о ширине частицы, они имеют в виду эту внутреннюю неопределённость массы.

Искривление пространства-времени гравитационными массами в картине мира ОТО

Эквивалентность энергии и массы также привела Эйнштейна к такому великому достижению, как общая теория относительности. Представьте, что у вас имеется частица материи и частица антиматерии, с одинаковыми массами покоя. Их можно аннигилировать, и они превратятся в фотоны с определённой энергией, точно по формуле E = mc 2 . Теперь представьте, что эта пара частица/античастица быстро двигается, будто бы упав к нам из глубокого космоса, а затем аннигилирует вблизи поверхности Земли. У этих фотонов окажется дополнительная энергия – не только E из E = mc 2 , но и дополнительная E, кинетическая энергия, приобретённая из-за падения.

Если два объекта из материи и антиматерии, находясь в покое, аннигилируют, они превратятся в фотоны совершенно определённой энергии. Если эти фотоны появятся после падения в гравитационном поле, энергия у них будет выше. Значит, должно существовать гравитационное красное или синее смещение, не предсказанное гравитацией Ньютона – иначе энергия бы не сохранялась.

Если энергия должна сохраняться, то гравитационное красное (и синее) смещения должны быть реальными. У гравитации Ньютона нет способа объяснить этот эффект, но в Эйнштейновской ОТО кривизна пространства означает, что падение в гравитационное поле добавляет вам энергии, а выход из гравитационного поля заставляет вас тратить энергию. Получается, что полная и общая взаимосвязь для любого движущегося объекта будет не E = mc 2 , а E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 (где p – импульс). И только обобщая всю информацию, включая в описание энергию, импульс и гравитацию, можно по-настоящему описать Вселенную.

Когда квант излучения покидает гравитационное поле, его частота испытывает красное смещение из-за сохранения энергии; когда он падает в поле, он должен испытывать синее смещение. А это имеет смысл, только если гравитация связана не только с массой, но и с энергией.

Величайшее уравнение Эйнштейна, E = mc 2 , является триумфом мощи и простоты фундаментальной физики. У материи есть присущая ей энергия, массу можно превратить (при определённых условиях) в чистую энергию, а энергию можно использовать для создания массивных объектов, не существовавших ранее. Такой метод размышлений даёт нам возможность открывать фундаментальные частицы, из которых состоит наша Вселенная, изобретать ядерную энергию и ядерное оружие, открывать теорию гравитации, описывающую взаимодействие всех объектов во Вселенной. Ключом к нахождению этого уравнения послужил скромный мысленный эксперимент, основанный на простом предположении: сохранении энергии и импульса. Остальное оказывается неизбежным следствием схемы работы Вселенной.

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?