E mc2 что за формула. Опровержение универсальности формулы Е мс2

Болотовский Б. Простой вывод формулы E = mc 2 //Квант. - 2005. - № 6. - С. 2-7.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Введение

Полная и окончательная формулировка современной теории относительности содержится в большой статье Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», опубликованной в 1905 году. Если говорить об истории создания теории относительности, то у Эйнштейна были предшественники. Отдельные важные вопросы теории исследовались в работах Х.Лоренца, Дж.Лармора, А.Пуанкаре, а также некоторых других физиков. Однако теория относительности как физическая теория до появления работы Эйнштейна не существовала. Работа Эйнштейна отличается от предшествующих работ совершенно новым пониманием как отдельных сторон теории, так и всей теории как целого, таким пониманием, которого не было в работах его предшественников.

Теория относительности заставила пересмотреть многие основные представления физики. Относительность одновременности событий, различия в ходе движущихся и покоящихся часов, отличия в длине движущейся и покоящейся линеек - эти и многие другие следствия теории относительности неразрывно связаны с новыми по сравнению с ньютоновской механикой представлениями о пространстве и времени, а также о взаимной связи пространства и времени.

Одно из важнейших следствий теории относительности - знаменитое соотношение Эйнштейна между массой m покоящегося тела и запасом энергии Е в этом теле:

\(~E = mc^2, \qquad (1)\)

где с - скорость света.

(Это соотношение называют по-разному. На Западе для него принято название «соотношение эквивалентности между массой и энергией». У нас долгое время было принято более осторожное название «соотношение взаимосвязи между массой и энергией». Сторонники этого более осторожного названия избегают слова «эквивалентность», тождественность, потому что, говорят они, масса и энергия - это разные качества вещества, они могут быть связаны между собой, но не тождественны, не эквивалентны. Мне кажется, что эта осторожность является излишней. Равенство E = mc 2 говорит само за себя. Из него следует, что массу можно измерять в единицах энергии, а энергию - в единицах массы. Кстати, так физики и поступают. А утверждение, что масса и энергия - это разные характеристики вещества, было справедливо в механике Ньютона, а в механике Эйнштейна само соотношение E = mc 2 говорит о тождественности этих двух величин - массы и энергии. Можно, конечно, сказать, что соотношение между массой и энергией не означает их тождественности. Но это все равно, что сказать, глядя на равенство 2 = 2: это не тождество, а соотношение между разными двойками, потому что справа стоит правая двойка, а слева - левая.)

Соотношение (1) обычно выводится из уравнения движения тела в эйнштейновской механике, но этот вывод достаточно труден для ученика средней школы. Поэтому имеет смысл попытаться найти простой вывод этой формулы.

Сам Эйнштейн, сформулировав в 1905 году основы теории относительности в статье «К электродинамике движущихся тел», затем вернулся к вопросу о соотношении между массой и энергией. В том же 1905 году он опубликовал короткую заметку «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». В этой статье он дал вывод соотношения E = mc 2 , который опирается не на уравнение движения, а, как и приведенный ниже вывод, на эффект Доплера. Но этот вывод тоже довольно сложный.

Вывод формулы E = mc 2 , который мы хотим вам предложить, не основан на уравнении движения и, кроме того, является достаточно простым, так что школьники старших классов могут его одолеть - для этого почти не потребуется знаний, выходящих за пределы школьной программы. На всякий случай мы приведем все сведения, которые нам понадобятся. Это сведения об эффекте Доплера и о фотоне - частице электромагнитного поля. Но предварительно оговорим одно условие, которое будем считать выполненным и на которое будем опираться при выводе.

Условие малости скоростей

Мы будем предполагать, что тело массой m , с которым мы будем иметь дело, либо покоится (и тогда, очевидно, скорость его равна нулю), либо, если оно движется, то со скоростью υ , малой по сравнению со скоростью света с . Иными словами, мы будем предполагать, что отношение \(~\frac{\upsilon}{c}\) скорости тела к скорости света есть величина малая по сравнению с единицей. Однако мы будем считать отношение \(~\frac{\upsilon}{c}\) хотя и малой, но не пренебрежимо малой величиной - будем учитывать величины, пропорциональные первой степени отношения \(~\frac{\upsilon}{c}\), но будем пренебрегать вторыми и более высокими степенями этого отношения. Например, если при выводе нам придется иметь дело с выражением \(~1 - \frac{\upsilon^2}{c^2}\), мы будем пренебрегать величиной \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) по сравнению с единицей:

\(~1 - \frac{\upsilon^2}{c^2} = 1, \ \frac{\upsilon^2}{c^2} \ll \frac{\upsilon}{c} \ll 1. \qquad (2)\)

В этом приближении получаются соотношения, которые на первый взгляд могут показаться странными, хотя ничего странного в них нет, надо только помнить, что соотношения эти не являются точными равенствами, а справедливы с точностью до величины \(~\frac{\upsilon}{c}\) включительно, величинами же порядка \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) мы пренебрегаем. В таком предположении справедливо, например, следующее приближенное равенство:

\(~\frac{1}{1 - \frac{\upsilon}{c}} = 1 + \frac{\upsilon}{c}, \ \frac{\upsilon^2}{c^2} \ll 1. \qquad (3)\)

Действительно, умножим обе части этого приближенного равенства на \(~1 - \frac{\upsilon}{c}\). Мы получим

\(~1 = 1 - \frac{\upsilon^2}{c^2},\)

т.е. приближенное равенство (2). Поскольку мы считаем, что величина \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) пренебрежимо мала в сравнении с единицей, мы видим, что в приближении \(~\frac{\upsilon^2}{c^2} \ll 1\) равенство (3) справедливо.

Аналогично, нетрудно доказать в том же приближении равенство

\(~\frac{1}{1 + \frac{\upsilon}{c}} = 1 - \frac{\upsilon}{c}. \qquad (4)\)

Чем меньше величина \(~\frac{\upsilon}{c}\), тем точнее эти приближенные равенства.

Мы не случайно будем использовать приближение малых скоростей. Нередко приходится слышать и читать, что теория относительности должна применяться в случае больших скоростей, когда отношение скорости тела к скорости света имеет порядок единицы, при малых же скоростях применима механика Ньютона. На самом деле теория относительности не сводится к механике Ньютона даже в случае сколь угодно малых скоростей. Мы это увидим, доказав соотношение E = mc 2 для покоящегося или очень медленно движущегося тела. Механика Ньютона такого соотношения дать не может.

Оговорив малость скоростей по сравнению со скоростью света, перейдем к изложению некоторых сведений, которые понадобятся нам при выводе формулы E = mc 2 .

Эффект Доплера

Мы начнем с явления, которое называется по имени австрийского физика Кристиана Доплера, открывшего это явление в середине позапрошлого века.

Рассмотрим источник света, причем будем считать, что источник движется вдоль оси x со скоростью υ . Предположим для простоты, что в момент времени t = 0 источник проходит через начало координат, т.е. через точку х = 0. Тогда положение источника в любой момент времени t определяется формулой

\(~x = \upsilon t.\)

Предположим, что далеко впереди излучающего тела на оси x помещен наблюдатель, который следит за движением тела. Ясно, что при таком расположении тело приближается к наблюдателю. Допустим, что наблюдатель взглянул на тело в момент времени t . В этот момент до наблюдателя доходит световой сигнал, излученный телом в более ранний момент времени t’ . Очевидно, момент излучения должен предшествовать моменту приема, т.е. должно быть t’ < t .

Определим связь между t’ и t . В момент излучения t’ тело находится в точке \(~x" = \upsilon t"\), a наблюдатель пусть находится в точке х = L . Тогда расстояние от точки излучения до точки приема равно \(~L - \upsilon t"\), а время, за которое свет пройдет такое расстояние, равно \(~\frac{L - \upsilon t"}{c}\). Зная это, мы легко можем записать уравнение, связывающее t’ и t :

\(~t = t" + \frac{L - \upsilon t"}{c}.\)

\(~t" = \frac{t - \frac Lc}{1 - \frac{\upsilon}{c}}. \qquad (5)\)

Таким образом, наблюдатель, глядя на движущееся тело в момент времени t , видит это тело там, где оно находилось в более ранний момент времени t’ , причем связь между t и t’ определяется формулой (5).

Предположим теперь, что яркость источника периодически меняется по закону косинуса. Обозначим яркость буквой I . Очевидно, I есть функция времени, и мы можем, учитывая это обстоятельство, записать

\(~I = I_0 + I_1 \cos \omega t \ (I_0 > I_1 > 0),\)

где I 0 и I 1 - некоторые постоянные, не зависящие от времени. Неравенство в скобках необходимо потому, что яркость не может быть отрицательной величиной. Но для нас в данном случае это обстоятельство не имеет никакого значения, поскольку в дальнейшем нас будет интересовать только переменная составляющая - второе слагаемое в формуле для I (t ).

Пусть наблюдатель смотрит на тело в момент времени t . Как уже было сказано, он видит тело в состоянии, соответствующем более раннему моменту времени t’ . Переменная часть яркости в момент t’ пропорциональна cos ωt’ . С учетом соотношения (5) получаем

\(~\cos \omega t" = \cos \omega \frac{t - \frac Lc}{1 - \frac{\upsilon}{c}} = \cos \left(\frac{\omega t}{1 - \frac{\upsilon}{c}} - \omega \frac Lc \frac{1}{1 - \frac{\upsilon}{c}}\right).\)

Коэффициент при t под знаком косинуса дает частоту изменения яркости, как ее видит наблюдатель. Обозначим эту частоту через ω’ , тогда

\(~\omega" = \frac{\omega}{1 - \frac{\upsilon}{c}}. \qquad (6)\)

Если источник покоится (υ = 0), то ω’ = ω , т.е. наблюдатель воспринимает ту же самую частоту, что излучается источником. Если же источник движется к наблюдателю (в этом случае наблюдатель принимает излучение, направленное вперед по движению источника), то принимаемая частота ω’ ω , причем принимаемая частота больше излучаемой.

Случай, когда источник движется от наблюдателя, можно получить, изменив знак перед υ в соотношении (6). Видно, что тогда принимаемая частота оказывается меньше излучаемой.

Можно сказать, что вперед излучаются большие частоты, а назад - малые (если источник удаляется от наблюдателя, то наблюдатель, очевидно, принимает излучение, испущенное назад).

В несовпадении частоты колебаний источника и частоты, принимаемой наблюдателем, и состоит эффект Доплера. Если наблюдатель находится в системе координат, в которой источник покоится, то излучаемая и принимаемая частоты совпадают. Если же наблюдатель находится в системе координат, в которой источник движется со скоростью υ , то связь излучаемой и принимаемой частот определяется формулой (6). При этом мы предполагаем, что наблюдатель всегда покоится.

Как видно, связь между излучаемой и принимаемой частотами определяется скоростью v относительного движения источника и наблюдателя. В этом смысле безразлично, кто движется - источник приближается к наблюдателю или наблюдатель к источнику. Но нам в дальнейшем удобнее будет считать, что наблюдатель покоится.

Строго говоря, в разных системах координат время течет по-разному. Изменение хода времени также сказывается на величине наблюдаемой частоты. Если,например, частота колебаний маятника в системе координат, где он покоится, равна ω , то в системе координат, где он движется со скоростью υ , частота равна \(~\omega \sqrt{1 - \frac{\upsilon^2}{c^2}}\). К такому результату приводит теория относительности. Но поскольку мы с самого начала условились пренебрегать величиной \(~\frac{\upsilon^2}{c^2}\) по сравнению с единицей, то изменение хода времени для нашего случая (движение с малой скоростью) пренебрежимо мало.

Таким образом, наблюдение за движущимся телом имеет свои особенности. Наблюдатель видит тело не там, где оно находится (пока сигнал идет к наблюдателю, тело успевает переместиться), и принимает сигнал, частота которого ω’ отличается от излучаемой частоты ω .

Выпишем теперь окончательные формулы, которые понадобятся нам в дальнейшем. Если движущийся источник излучает вперед по направлению движения, то частота ω’ , принятая наблюдателем, связана с частотой источника ω соотношением

\(~\omega" = \frac{\omega}{1 - \frac{\upsilon}{c}} = \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right), \ \frac{\upsilon}{c} \ll 1. \qquad (7)\)

Для излучения назад имеем

\(~\omega" = \frac{\omega}{1 + \frac{\upsilon}{c}} = \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right), \ \frac{\upsilon}{c} \ll 1. \qquad (8)\)

Энергия и импульс фотона

Современное представление о частице электромагнитного поля - фотоне, как и формула E = mc 2 , которую мы собираемся доказать, принадлежит Эйнштейну и было высказано им в том же 1905 году, в котором он доказал эквивалентность массы и энергии. Согласно Эйнштейну, электромагнитные и, в частности, световые волны состоят из отдельных частиц - фотонов. Если рассматривается свет некоторой определенной частоты ω , то каждый фотон имеет энергию E , пропорциональную этой частоте:

\(~E = \hbar \omega .\)

Коэффициент пропорциональности \(~\hbar\) называется постоянной Планка. По порядку величины постоянная Планка равна 10 -34 , размерность ее Дж·с. Мы здесь не выписываем точного значения постоянной Планка, оно нам не понадобится.

Иногда вместо слова «фотон» говорят «квант электромагнитного поля».

Фотон имеет не только энергию, но и импульс, равный

\(~p = \frac{\hbar \omega}{c} = \frac Ec .\)

Этих сведений нам будет достаточно для дальнейшего.

Вывод формулы E = mc 2

Рассмотрим покоящееся тело массой m . Предположим, что это тело одновременно излучает два фотона в прямо противоположных направлениях. Оба фотона имеют одинаковые частоты ω и, значит, одинаковые энергии \(~E = \hbar \omega\), а также равные по величине и противоположные по направлению импульсы. В результате излучения тело теряет энергию

\(~\Delta E = 2 \hbar \omega. \qquad (9)\)

Потеря импульса равна нулю, и, следовательно, тело после излучения двух квантов остается в покое.

Этот мысленный опыт представлен на рисунке 1. Тело изображено кружком, а фотоны - волнистыми линиями. Один из фотонов излучается в положительном направлении оси x , другой - в отрицательном. Около волнистых линий приведены значения энергии и импульса соответствующих фотонов. Видно, что сумма излученных импульсов равна нулю.

Рис.1. Картина двух фотонов в системе отсчета, в которой излучающее тело покоится: а) тело до излучения; б) после излучения

Рассмотрим теперь ту же картину с точки зрения наблюдателя, который движется по оси x влево (т.е. в отрицательном направлении оси x ) с малой скоростью υ . Такой наблюдатель увидит уже не покоящееся тело, а тело, движущееся с малой скоростью вправо. Величина этой скорости равна υ , а направлена скорость в положительном направлении оси x . Тогда частота, излучаемая вправо, будет определяться формулой (7) для случая излучения вперед:

\(~\omega" = \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right).\)

Мы частоту фотона, излучаемого движущимся телом вперед по направлению движения, обозначили через ω’ , чтобы не спутать эту частоту с частотой ω излучаемого фотона в той системе координат, где тело покоится. Соответственно, частота фотона, излучаемого движущимся телом влево, определяется формулой (8) для случая излучения назад:

\(~\omega"" = \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right).\)

Чтобы не перепутать излучение вперед и излучение назад, мы будем величины, относящиеся к излучению назад, обозначать двумя штрихами.

Поскольку, из-за эффекта Доплера, частоты излучения вперед и назад различны, энергия и импульс у излученных квантов также будут различаться. Квант, излученный вперед, будет иметь энергию

\(~E" = \hbar \omega" = \hbar \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right)\)

и импульс

\(~p" = \frac{\hbar \omega"}{c} = \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right).\)

Квант, излученный назад, будет иметь энергию

\(~E"" = \hbar \omega"" = \hbar \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right)\)

и импульс

\(~p"" = \frac{\hbar \omega""}{c} = \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right).\)

При этом импульсы квантов направлены в противоположные стороны.

Картина процесса излучения, каким его видит движущийся наблюдатель, изображена на рисунке 2.

Рис.2. Картина двух фотонов в системе отсчета, где скорость излучающего тела равна υ : а) тело до излучения; б) после излучения

Важно здесь подчеркнуть, что на рисунках 1 и 2 изображен один и тот же процесс, но с точки зрения разных наблюдателей. Первый рисунок относится к случаю, когда наблюдатель покоится относительно излучающего тела, а второй - когда наблюдатель движется.

Подсчитаем баланс энергии и импульса для второго случая. Потеря энергии в системе координат, где излучатель имеет скорость υ , равна

\(~\Delta E" = E" + E"" = \hbar \omega \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right) + \hbar \omega \left(1 - \frac{\upsilon}{c} \right) = 2 \hbar \omega = \Delta E,\)

т.е. она такая же, как и в системе, где излучатель покоится (см. формулу (9)). Но потеря импульса в системе, где излучатель движется, не равна нулю, в отличие от системы покоя:

\(~\Delta p" = p" - p"" = \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 + \frac{\upsilon}{c} \right) - \frac{\hbar \omega}{c} \left(1 1 \frac{\upsilon}{c} \right) = \frac{2 \hbar \omega}{c} \frac{\upsilon}{c} = \frac{\Delta E}{c^2} \upsilon. \qquad (10)\)

Движущийся излучатель теряет импульс \(~\frac{\Delta E \upsilon}{c^2}\) и, следовательно, должен, казалось бы, тормозиться, уменьшать свою скорость. Но в системе покоя излучение симметрично, излучатель не меняет скорости. Значит, скорость излучателя не может измениться и в той системе, где он движется. А если скорость тела не меняется, то как оно может потерять импульс?

Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, как записывается импульс тела массой m :

\(~p = m \upsilon\)

Импульс равен произведению массы тела на его скорость. Если скорость тела не меняется, то его импульс может измениться только за счет изменения массы:

\(~\Delta p = \Delta m \upsilon\)

Здесь Δp - изменение импульса тела при неизменной скорости, Δm - изменение его массы.

Это выражение для потери импульса надо приравнять к выражению (10), которое связывает потерю импульса с потерей энергии. Мы получим формулу

\(~\frac{\Delta E}{c^2}\upsilon = \Delta m \upsilon,\)

\(~\Delta E = \Delta m c^2,\)

которая означает, что изменение энергии тела влечет за собой пропорциональное изменение его массы. Отсюда легко получить соотношение между полной массой тела и полным запасом энергии:

\(~E = mc^2.\)

Открытие этой формулы явилось огромным шагом вперед в понимании природных явлений. Само по себе осознание эквивалентности массы и энергии есть великое достижение. Но полученная формула, помимо того, имеет широчайшее поле применения. Распад и слияние атомных ядер, рождение и распад частиц, превращения элементарных частиц одна в другую и множество других явлений требуют для своего объяснения учета формулы связи между массой и энергией.

В заключение - два домашних задания для любителей теории относительности.

Прочитайте статью А.Эйнштейна «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» .
Попробуйте самостоятельно вывести соотношение \(~\Delta m = \frac{\Delta E}{c^2}\) для случая системы отсчета, скорость которой υ может быть не малой по сравнению со скоростью света с . Указание . Используйте точную формулу для импульса частицы: \(~p = \frac{m \upsilon}{\sqrt{1 - \frac{\upsilon^2}{c^2}}}\) и точную формулу для эффекта Доплера: \(~\omega" = \omega \sqrt{\frac{1 + \frac{\upsilon}{c}}{1 - \frac{\upsilon}{c}}},\) которая получается, если учесть различие в ходе времени в покоящейся и движущейся системах отсчета.

Перевод

Самое знаменитое уравнение Эйнштейна вычисляется более красиво, чем это можно было бы ожидать.

Из специальной теории относительности вытекает, что масса и энергия являются разными проявлениями одного и того же – концепция, среднему уму незнакомая.
- Альберт Эйнштейн

Некоторые научные концепции настолько меняют мир и настолько глубоки, что практически каждый знает о них, даже если полностью и не понимает. Почему бы не поработать над этим вместе? Каждую неделю вы отправляете ваши вопросы и предложения, и на этой неделе я выбрал вопрос Марка Лиюва, который спрашивает:

Эйнштейн вывел уравнение E = mc 2 . Но единицы энергии, массы, времени, длины уже были известны до Эйнштейна. Так как же оно так красиво получается? Почему там нет какой-нибудь константы для длины или времени? Почему это не E = amc 2 , где a – какая-нибудь константа?

Если бы наша Вселенная не была устроена так, как сейчас, то всё могло бы быть по-другому. Давайте посмотрим, что я имею в виду.

С одной стороны, у нас имеются объекты с массой: от галактик, звёзд и планет до самых мелких молекул, атомов и фундаментальных частиц. Хотя они и крохотные, у каждой из компонент того, что известно нам под именем материи, имеется фундаментальное свойство массы, что означает, что даже если исключить его движение, даже если замедлить его до полной остановки, он всё равно будет оказывать влияние на все остальные объекты Вселенной.

Конкретно, он оказывает гравитационное притяжение на всё остальное во Вселенной, неважно, на каком расстоянии находится удалённый объект. Он притягивает всё к себе, испытывает притяжение ко всему остальному, а также обладает энергией, присущей самому его существованию.

Последнее утверждение контринтуитивно, поскольку об энергии, по крайней мере, в физике, говорят, как о возможности что-либо сделать – о возможности совершать работу. А что можно сделать, если ты просто сидишь на месте?

Перед тем, как ответить, давайте посмотрим на другую сторону монеты – вещи без массы.

С другой стороны, существуют вещи, не имеющие массы – например, свет. У этих частиц есть определённая энергия, и это легко понять, наблюдая их взаимодействие с другими вещами – при поглощении свет передаёт им свою энергию. Свет с достаточной энергией может разогревать материю, добавлять кинетическую энергию (и скорость), вышибать электроны на верхние энергетические уровни или вообще ионизировать, в зависимости от энергии.

Более того, количество энергии, содержащейся в безмассовой частице, определяется только её частотой и длиной волны, произведение которых всегда равняется скорости движения частицы: скорости света. Значит, у более длинных волн частоты меньше, и энергия меньше, а у коротких – частоты и энергия выше. Массивную частицу можно замедлить, а попытки отобрать энергию у безмассовой приведут лишь к удлинению её волны, а не к изменению скорости.

Памятуя о вышесказанном, подумаем, как масса-энергия может быть эквивалентной работе? Да, можно взять частицу материи и частицу антиматерии (электрон и позитрон), столкнуть их и получить безмассовые частицы (два фотона). Но почему энергии двух фотонов равны массам электрона и позитрона, умноженным на квадрат скорости света? Почему там нет другого множителя, почему уравнение точно приравнивает E и mc 2 ?

Что интересно, если верить СТО, уравнение просто обязано выглядеть, как E=mc 2 , без всяких отклонений. Поговорим о причинах этого. Для начала представьте, что у вас есть коробочка в космосе. Она неподвижна, и с двух сторон у неё зеркала, а внутри находится фотон, летящий к одному из зеркал.

Изначально коробочка не двигается, но поскольку фотоны обладают энергией (и импульсом), когда фотон сталкивается с зеркалом с одной стороны коробки и отскакивает, коробка начнёт движение в том направлении, в котором изначально двигался фотон. Когда фотон достигнет другой стороны, он отразится от зеркала с другой стороны, изменяя импульс коробки обратно до нуля. И он продолжит отражаться таким образом, в то время как коробка половину времени будет двигаться в одну сторону, а другую половину – оставаться неподвижной.

В среднем коробка будет двигаться и, следовательно, так как у неё есть масса, будет иметь определённую кинетическую энергию, благодаря энергии фотона. Но важно также помнить про импульс, количество движения объекта. Импульс фотонов связан с их энергией и длиной волны очень просто: чем короче волна и выше энергия, тем выше импульс.

Подумаем о том, что это значит, и для этого проведём ещё один эксперимент. Представьте, что происходит, когда изначально двигается только сам фотон. У него будет определённое количество энергии и импульс. Оба свойства должны сохраняться, поэтому в начальный момент энергия фотона определена его длиной волны, а у коробки есть только энергия покоя – какая бы она ни была – и фотон обладает всем импульсом системы, а у коробки импульс нулевой.

Затем фотон сталкивается с коробкой и временно поглощается. Импульс и энергия должны сохраняться – это основные законы сохранения Вселенной. Если фотон поглощён, то существует только один способ сохранить импульс – коробка должна двигаться с определённой скоростью в том же направлении, в котором двигался фотон.

Пока всё нормально. Только теперь мы можем спросить себя, какова энергия коробки. Получается, что если мы идём от нашей обычной формулы о кинетической энергии, K E = ½mv 2 , мы предположительно знаем массу коробки, и, исходя из понятия импульса, её скорость. Но если мы сравним энергию коробки с энергией фотона, которой он обладал до столкновения, мы увидим, что у коробки энергии недостаточно.

Проблема? Нет, это довольно просто решить. Энергия системы коробка/фотон равна массе покоя коробки плюс кинетической энергии коробки плюс энергии фотона. Когда коробка поглощает фотон, большая часть его энергии переходит в увеличение массы коробки. Когда коробка поглотила фотон, её масса меняется (увеличивается) по сравнению с той, что была до столкновения.

Когда коробка вновь испускает фотон в другом направлении, она получает ещё больший импульс и скорость (что компенсируется отрицательным импульсом фотона в обратном направлении), ещё больше кинетической энергии (и у фотона есть энергия), но теряет взамен часть массы покоя. Если всё подсчитать (есть три различных способа это сделать, а тут ещё и описание), можно обнаружить, что единственное преобразование массы, позволяющее сохранить энергию и импульс, будет E = mc 2 .

Если добавить любую константу, уравнение перестанет быть сбалансированным, и вы будете терять или приобретать энергию каждый раз при испускании или поглощении фотона. Обнаружив антиматерию в 1930-х, мы непосредственно увидели подтверждение того, что можно превратить энергию в массу и обратно, и результаты превращений точно совпадали с E = mc 2 , но именно мысленные эксперименты позволили вывести эту формулу за несколько десятилетий до наблюдений. Только поставив фотону в соответствие эффективную массу, эквивалентную m = E/c 2 , мы можем обеспечить сохранение энергии и импульса. И хотя мы говорим E = mc 2 , Эйнштейн впервые записал формулу по-другому, присвоив энергетически эквивалентную массу безмассовым частицам.

Так что, спасибо за прекрасный вопрос, Марк, и надеюсь, что этот мысленный эксперимент поможет тебе понять, почему нам нужна не только эквивалентность массы и энергии, но и почему в этом уравнении есть только одно возможное значение для «константы», которое поможет сохранить энергию и импульс – а этого требует наша Вселенная. Единственное уравнение, которое работает, это E = mc 2 .

Все, кто хотя бы в некоторой степени знает физику, наверняка слышали о "Теории Относительности" Альберта Эйнштейна и о прославленной формуле E=MС2 . Эту формулу начали распространять в науке в самом начале ХХ столетия и её слава была неразрывно связана с теорией Эйнштейна.

В то время кто только ни критиковал новую восходящую звезду за сумасбродные "допущения", сделанные в его революционной теории, полагая, что фантазии мистера Эйнштейна, оторванные от реальности, ничего общего с наукой не имеют.

Вот лишь один пример, как учёные с мировым именем критиковали невесть как появившегося в науке смутьяна. «Есть ли, однако, необходимость, вынуждающая нас безоговорочно согласиться с этими допущениями, с которыми здоровый рассудок не может, по крайней мере, сразу примириться? На это мы можем решительно ответить: нет! Все выводы из теории Эйнштейна, согласующиеся с действительностью, могут быть получены и часто получаются гораздо более простым способом при помощи теорий, не заключающих в себе решительно ничего непонятного - ничего сколько-нибудь похожего на те требования, какие предъявляются теорией Эйнштейна». Это слова принадлежат русскому академику Климентию Тимирязеву, автору фундаментального труда «Жизнь растения» (1878 г.).

Однако, вся эта критика, причём критика безусловно справедливая, была Эйнштейну нипочём, потому что у него было много покровителей, как-никак он был еврейским учёным! Напротив, в СМИ ему был обеспечен такой пиар, какого не имела ни одна голливудская поп-дива! Эйнштейн даже получил Нобелевскую премию! Правда получил он её совсем не за "Теорию относительности", которая вызвала буквально бурю возмущений в научном мире, а за теоретическое обоснование открытого А.Г. Столетовым "внешнего фотоэффекта".

Историческая справка: "Альберт Эйнштейн номинировался на Нобелевскую премию по физике несколько раз , однако члены Нобелевского комитета долгое время не решались присудить премию автору такой революционной теории, как теория относительности. В конце концов был найден дипломатичный выход: премия за 1921 год была присуждена Эйнштейну за теорию фотоэффекта, то есть за наиболее бесспорную и хорошо проверенную в эксперименте работу ; впрочем, текст решения содержал нейтральное добавление: «и за другие работы в области теоретической физики». 10 ноября 1922 года секретарь Шведской Академии наук Кристофер Аурвиллиус писал Эйнштейну: «Как я уже сообщил Вам телеграммой, Королевская академия наук на своём вчерашнем заседании приняла решение присудить Вам премию по физике за прошедший (1921) год, отмечая тем самым Ваши работы по теоретической физике, в частности открытие закона фотоэлектрического эффекта, не учитывая при этом Ваши работы по теории относительности и теории гравитации, которые будут оценены после их подтверждения в будущем». Естественно, традиционную Нобелевскую речь Эйнштейн посвятил теории относительности..." .

Иначе говоря, русский учёный Александр Григорьевич Столетов, изучая влияние ультрафиолета на электричество, открыл явление внешнего фотоэффекта на практике, а Альберт Эйнштейн смог объяснить суть этого явления в теории. За это ему и была присуждена Нобелевская премия.

Комментарий:

Teslafreshpower: Эйнштейн получил Нобелевскую премию даже не за само открытие фотоэффекта, а за его частный случай... "Эйнштейну присудили Нобелевскую премию за...открытие Второго Закона Фотоэффекта, который являлся частным случаем Первого Закона Фотоэффекта. Но, любопытно то, что русский физик Столетов Александр Григорьевич (1830-1896 гг.) открывший сам фотоэффект, никакой Нобелевской премии, да и никакой другой, за это своё открытие не получил, в то время, как А. Эйнштейну её дали за «изучение» частного случая этого закона физики. Получается полнейшая несуразица с любой точки зрения. Единственным объяснением этому может служить то, что кто-то уж очень хотел сделать А. Эйнштейна Нобелевским лауреатом и искал любой повод для того, чтобы это осуществить. Пришлось «гению» немножко попыхтеть с открытием русского физика А.Г. Столетова, «изучая» фотоэффект и вот...«родился» новый Нобелевский лауреат.

Невероятно, но факт: ТО имеет 8 условных допущений или ПОСТУЛАТОВ (условных договорённостей), а в ОТО этих условностей 20! Хотя физика — точная наука".

Что касается формулы E=MС2 , то в Интернете гуляет такая история.

"20 июля 1905 года, Альберт Эйнштейн и его супруга Милева Марич решили вдвоём отпраздновать только что сделанное открытие. Это был первый случай в жизни великого физика, когда он напился, как простой сапожник: «…Пьяные вдрызг лежали под столом. Твой бедный друг и его жена», — писал он потом своему другу Конраду Габихту (журнал «GEO» от сентября 2005 г.). А 1 июля 1946 года портрет Эйнштейна появился на обложке журнала «Тайм» с изображением атомного гриба и формулы E=MC2 и чуть ли не обвинительным заголовком: «Разрушитель мира - Эйнштейн: вся материя состоит из скорости и огня» . .

О том, что эта формула не стоит и "фунта шерсти" , можно сегодня узнать из короткой статьи Богдана Шынкарык

Чтобы читатели не занимались поиском этой статьи в интернете, она будет приведена ниже полностью.

"Сегодняшняя статья в некотором смыле является продолжением двух других моих статьей на тему магнитного мошенничества в теоретической физике: "Магнитное мошенничество" и "Двухсотлетнее мошенничество в теоретической физике" .

Новая статья касается явления, которое не заметили ни учёные, стоявшие у истоков изучения магнетизма и электричества — Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер, ни их последователи. Никому, попросту, не приходила в голову мысль, что намагничение тел сопровождается уплотнением в них тонкой материи! Ибо, действительно, как можно догадаться о том, что стальной брусок после его намагничения имеет несколько большую массу, чем она была до намагничивания.

Если бы первые исследователи электромагнетизма догадались о существовании этого явления и исследовали его, то сегодня физика описывала бы строение материи совершенно по-другому. Прежде всего в описании физических явлений решающую роль играла бы материя так называемого "физического вакуума" (дословный перевод этого совершенно нелепого словосочетания — "природная пустота").

В течение долгих веков, пока развивалась наука о природе — физика, среди учёных главенствовало мнение, что "природа не терпит пустоты". В свете этого воззрения безвоздушное пространство представлялось большинству учёных не иначе как тончайшей материей, в которой распространяется свет и теплота. Эту тончайшую среду ещё со времён Древней Греции называли эфиром. А неделимые частицы, образующие эфир, с подачи древнегреческого учёного Демокрита называли атомами.

Открытое недавно явление — увеличение массы намагниченных тел — является в некотором смысле наглядным доказательством того, что изначальное направление развитие науки и философской мысли было правильным, а вот Альберт и Ko , исключив светоносный эфир из картины Мироздания, повели науку по ложному пути.

Процесс намагничения (или намагничивания) тел не только сопровождается образованием наведённого (вторичного) магнитного поля вокруг металлов, но и связан с уплотнением эфира в намагничиваемой области (внутри и снаружи намагничиваемых тел).

Если намагниченное тело легко проявляет себя как магнит при взаимодействии с другими магнитами или, например, с железными опилками, то уплотнение внутри их эфирной материи проявляется в виде увеличения их массы.

Вышесказанное справедливо также и в отношении электромагнитов: увеличивается масса проволочной катушки, когда в ней начинает течь постоянный электрический ток, одновременно увеличивается и масса железного сердечника электромагнита.

Используя скромные домашние возможности, автор провёл эксперимент, в ходе которого он хотел выяснить, существует ли возможность в примитивных домашних условиях обнаружить изменение массы тела, происходящее при его намагничивании. В эксперименте были использованы бытовые чашечные весы с комплектом гирь от 1 г до 20 г и от 10 мг до 500 мг.

Источником сильного магнитного поля служил неодимовый магнит, имеющий форму таблетки (диаметр — 18 мм, толщина — 5 мм). Объектами намагничения служили стальной шарик диаметром 18,8 мм и склеенный из трёх стальных плоских шайб набор. Шайбы имели внешний диаметр — 21 мм, внутренний диаметр — 11 мм, а толщину — 6 мм каждое.

Ход эксперимента был таким.

В начале были отдельно взвешены: магнит, кольца и шарик — они весили соответственно: 9,38 г; 11,15 г; 27,75 г. Сложив эти цифры на калькуляторе, я получил суммарный вес — 48,28 грамм.

Обнаруженное увеличение веса трёх указанных предметов, двое из которых прошли процесс омагничивания, можно было, конечно, обосновать существованием ошибки измерения .

Однако, в ходе эксперимента было обнаружено любопытное явление , которое не позволяет усомниться в факте изменения веса тел, в процессе их намагничивания или размагничивания! И которое нельзя списать на влияние магнитного поля земли на взвешиваемые тела!

О том, что это было за любопытное явление , мой последующий рассказ.

Вникайте!

После того, как мною была создана конструкция, состоящая из магнита, металлических шайб и шарика, и затем положена на чашу весов, я уравновесил систему весов гирьками разного веса. Далее я стал наблюдать за тем, будут ли в процессе омагничивания шайб и шарика меняться общий вес конструкции. Спустя примерно 15 — 20 минут началось любопытное!

Чаша с конструкцией стала медленно опускаться вниз. Её вес стал возрастать! Чтобы привести чашечные весы в равновесие, я стал добавлять на чашу с гирями спички, как целые, так и разломанные на кусочки.

Это я делал до тех пор, пока процесс дисбаланса весов не прекратился. Потом я взвесил спички, которые добавил во время эксперимента на чашу с гирьками — их вес составил 0,38 грамм! Таким способом было установлено, что вес конструкции во время намагничивания (следовательно, также и её масса) увеличился на эти 0,38 грамм. То есть, во время намагничивания именно такое количество тонкой материи, составляющей основу вихревого магнитного поля, проникло дополнительно в атомное вещество кольца и шарика, совместный вес которых перед магничением равнялся: 11,15г + 27,75г = 38,90 грамм.

Простой математический расчёт показывает, что величина прироста массы колец и шарика во время намагничивания в данном эксперименте составила около 1% (0,38*100%/38,9).

Делайте выводы, господа!

Я лично сделал для себя два вывода:

1. Прославленная формула "Теории Относительности" не стоит и "фунта шерсти".

2. Магнитное поле материально, оно представляет собой не что иное, как вихревое движение того светоносного эфира, в океане которого мы все пребываем! Уплотонение этого эфира в намагниченных телах и вызывает увеличение их массы и веса.

На противоположных полюсах воображаемого мира науки находятся крик «Эврика!» и формула E=mc 2 . Первый символизирует способности тела, явленные через собственное тело Архимеда, покрытое капельками воды; вторая же - способности духа. Ведь если Архимед мог переживать законы природы физически, то Эйнштейн есть - и в этом его сущность - чистый дух. Свой мозг он завешал медицинской науке, в то время как его прах в присутствии лишь самых близких ему людей был развеян по ветру. Дабы избегнуть скучных рассуждений о вместилище мысли и об иных внутренних органах ученых, равно как и о плавучести Архимеда, слепоте Галилея или о головных болях Ньютона, посчитаем достаточным признать, что человек-мозг - это старый миф, который удалось воплотить (?) в совершенстве Стивену Хокингу, скрюченному в инвалидном кресле-каталке символу легенды о притягательности великих умов: он развелся, чтобы жениться на своей бывшей сиделке. Согласно другому мифу, менее признанному, чистая мысль достижима лишь через небрежение телом, тело же должно нести на себе следы мысли. Разбирая один за одним все нейроны великого Альберта, как когда-то анализировали сетчатку Джона Дальтона (отсюда «дальтонизм»), надеются найти какую-то недостаточность или аномалию в нейронах, вроде отсутствия чувствительных к зеленому свету клеток в глазу Дальтона.

Это бесконечная и смехотворная деятельность, с привлечением сканеров и электронных микроскопов, стала заключительным аккордом в длинной серии подозрений и испытаний, которым подвергался Эйнштейн. Во время Первой мировой войны некоторые жаждущие реванша и враждебные к евреям французы неустанно подчеркивали его германо-иудейское происхождение; потом циничные наблюдатели говорили о снобизме, а терзаемые завистью ученые обвиняли теорию относительности в том, что она - чистая игра ума… пока не накопилось множество подтверждающих ее экспериментов. Тогда из Эйнштейна вознамерились сделать отца атомной бомбы - очевидно, за неспособностью быть отцом собственных детей, подло брошенных на произвол судьбы. Наконец, «искали женщину» - и нашли его первую любовь Милеву Марич, которой попытались приписать материнство теории относительности. Последний по счету эпизод связан с пущенным по салонам слухом, что Эйнштейн якобы был сумасшедшим, - это все объясняло, и мир смог вздохнуть с облегчением.

Почему же столько ненависти к нашему славному Альберту, не носившему носков, сторонившемуся светской жизни и превыше всего ставившему удовольствие покурить трубку в уголке у камина? Потому, что он посмел усомниться в очевидном. отказаться от самых надежных истин, укорененных в сознании обывателя, передававшихся от поколения к поколению так же исправно, как генетическая информация, истин, на которых зиждилась святая святых рациональной мысли. Взбаламутив материю и энергию, перемешав время с пространством, он подготовил все необходимое для подпиливания сука, на котором покоится (еле держится?) наше душевное здоровье. Если время не будет больше тем, чем было раньше, что же станет с нами? После этого Эйнштейн становится в обыденном подсознании врагом номер один, подлежащим уничтожению любой ценой. Он либо более злокознен, чем хочет казаться (настоящий Фауст-самозванец!), либо прибыл к нам с другой планеты (а его E=mc 2 звучит словно четыре ноты из «Контактов третьего типа»), либо безумец, коего удалось запереть до конца дней в Принстонском университете. В любом случае его необходимо было мистифицировать от головы до пят, включая его язык (высунутый), его мозг (расчлененный) и его формулу (магическую).

От Агу!=mc 2 к E=M6 через E=C-17 (голубые джинсы) и HP=Mc2 (предложения занятости) не счесть примеров славы знаменитой формулы, выражающей эквивалентность энергии и массы. Ролан Барт в «Мозге Эйнштейна» обнаруживает в ней архетип откровения:

Историческая формула E=mc 2 своей неожиданной простотой являет почти чистую идею ключа, голого, линейного, выполненного из цельного куска металла, с совершенно магической простотой открывающего дверь, в которую ломились на протяжении веков .

Однако успех формулы не был немедленным. Уравнение долгое время скрывалось в тени фразы «все относительно», вполне подходящей и намного более доступной для здравого смысла, и стало по-настоящему знаменитым только после того, как обнаружилась его подлинная мощь, а именно - его связь с бомбой, не зависящая от факта, что ни оно само, ни его автор никоим образом не причастны к ее созданию. Толчком к построению бомбы послужили открытие радиоактивности и выяснение структуры атома, а вовсе не теория относительности. Но нужно же было подобрать атомному апокалипсису соразмерную формулу и какого-нибудь падшего архангела на роль покровителя. Кастинг прошел быстро: по масштабу один Эйнштейнгодился на эту роль.

«Неожиданная простота» формулы явственно удвоилась эстетической привлекательностью. Хотя в целом уравнения кажутся отвратительными, отрицать изящество некоторых из них никто не станет. Да простит нас Ньютон, но в его f=Gmm"/r 2 привлекательности не много; U=RI уже лучше, только отдает паленым, а P=mg несколько тяжеловато . От Эйнштейна вполне бы сгодилась R ik =0 , прославляя одновременно и общую относительность, единодушно признанную самой красивой из физических теорий, да только тензор кривизны не поддается осмыслению непосвященных. А что такое масса и энергия, все на свете знают, или думают, что знают. E=mc 2 … Вот уравнение, источающее свет, и даже свет в квадрате! Не важно, что оно значит. Наверное E может быть энергией, излучаемой Солнцем, когда оно теряет массу m в ходе ядерной реакции, заставляющей его сиять, или энергией, выделенной в результате взрыва атомной бомбы, когда делящийся уран теряет свою массу. По правде говоря, лучше забыть это все и созерцать E=mc 2 как нечто в конечном итоге непостижимое. Важно лишь, что некое человеческое существо смогло получить доступ к подобному секрету.

Гипотеза об откровении несомненно интересна, но она в равной мере приложима к Ньютону или Леонардо да Винчи. Американский историк науки Джеральд Холтон, крупный специалист по Эйнштейну, предложил другую, менее общую. Из нее следует, что мысль Эйнштейна, гений которого состоял в умении обнаруживать ассимметрию в физических законах, разрешать парадоксы и объединять полярные противоположности, абсолютно неотделима от его личности, до крайности парадоксальной: он был одновременно мудрым старцем и озорным мальчишкой, общественным деятелем и отшельником, рационалистом и человеком, полагающимся на свою интуицию, атеистом и верующим. Он так и просится на роль эмблемы игры в мистификации, а любая его личина немедленно вызывает в уме другую, противоположную. С другой стороны, говорит нам Холтон, «его стиль жизни был скалькирован с законов природы». В самом деле, если Гийом (Уильям) Оккам (1285–1349) прославился благодаря своей бритве («не следует использовать больше сущностей. если можно обойтись их меньшим количеством»), то Эйнштейн ею брился: «Я бреюсь с мылом. Два мыла - это слишком сложно». В конце концов, Эйнштейн ничего не открывал, правильнее сказать - он не мог удержаться от открытий. Он был настолько естествен, что стоило ему погрузиться в себя, как природа раскрывала свои законы, методы и секреты, а старые полярности размывались, хотя мы могли бы с полным правом счесть их вечными: пространство и время оказывались чем-то единым, материя и энергия тоже. И тогда E=mc 2 оборачивается не чем иным, как математическим выражением личности, концентратом Эйнштейна (E йнштейн=mc 2 , и это выглядит правдоподобно, особенно если вспомнить, что у маленького Альберта довольно долго были проблемы с речью. Он заговорил очень поздно и всю жизнь потом испытывал трудности при выражении своих мыслей. По предположению самого Эйнштейна, этим, возможно, объясняется его талант к манипулированию понятиями, к игре с идеями и мысленными образами, к способности удивлять - бессознательно и не пытаясь их формулировать - новыми связями между ними. После своей E=mc 2 , необыкновенно эффективной, но непонятной, Эйнштейн предлагает поразмыслить над последней формулой: то, что хорошо задумано, не может быть выражено вовсе.

Примечания:

Получилось! (англ.)

Приведены цитаты из французской рекламы. M6 - музыкально-развлекательный телеканал, C-17 - американский военный самолет, базирующийся на авианосцах, HP - компьютерная фирма Hewlett-Packard, Mc2 - специализированное программное обеспечение. (Прим. перев.)

f=Gmm"/r 2 - формула закона всемирного тяготения; U=RI - закон Ома, связывающий напряжение, силу тока и сопротивление; P=mg - определение силы тяжести через ускорение свободного падения. (Прим. перев.)

Теория относительности заставила пересмотреть многие основные представления физики. Относительность одновременности событий, различия в ходе движущихся и покоящихся часов, отличия в длине движущейся и покоящейся линеек — эти и многие другие следствия теории относительности неразрывно связаны с новыми по сравнению с ньютоновской механикой представлениями о пространстве и времени, а также о взаимной связи пространства и времени.

Одно из важнейших следствий теории относительности — знаменитое соотношение Эйнштейна между массой m покоящегося тела и запасом энергии Е в этом теле:

E = m c 2 , (1 )

где с — скорость света.

(Это соотношение называют по-разному. На Западе для него принято название «соотношение эквивалентности между массой и энергией». У нас долгое время было принято более осторожное название «соотношение взаимосвязи между массой и энергией». Сторонники этого более осторожного названия избегают слова «эквивалентность», тождественность, потому что, говорят они, масса и энергия — это разные качества вещества, они могут быть связаны между собой, но не тождественны, не эквивалентны. Мне кажется, что эта осторожность является излишней. Равенство E = mc 2 говорит само за себя. Из него следует, что массу можно измерять в единицах энергии, а энергию — в единицах массы. Кстати, так физики и поступают. А утверждение, что масса и энергия — это разные характеристики вещества, было справедливо в механике Ньютона, а в механике Эйнштейна само соотношение E = mc 2 говорит о тождественности этих двух величин — массы и энергии. Можно, конечно, сказать, что соотношение между массой и энергией не означает их тождественности. Но это все равно, что сказать, глядя на равенство 2 = 2: это не тождество, а соотношение между разными двойками, потому что справа стоит правая двойка, а слева — левая.)

Вывод формулы E = mc 2 , который мы хотим вам предложить, не основан на уравнении движения и, кроме того, является достаточно простым, так что школьники старших классов могут его одолеть — для этого почти не потребуется знаний, выходящих за пределы школьной программы. На всякий случай мы приведем все сведения, которые нам понадобятся. Это сведения об эффекте Доплера и о фотоне — частице электромагнитного поля. Но предварительно оговорим одно условие, которое будем считать выполненным и на которое будем опираться при выводе.

Условие малости скоростей

Мы будем предполагать, что тело массой m , с которым мы будем иметь дело, либо покоится (и тогда, очевидно, скорость его равна нулю), либо, если оно движется, то со скоростью υ , малой по сравнению со скоростью света с . Иными словами, мы будем предполагать, что отношение υ c скорости тела к скорости света есть величина малая по сравнению с единицей. Однако мы будем считать отношение υ c хотя и малой, но не пренебрежимо малой величиной — будем учитывать величины, пропорциональные первой степени отношения υ c , но будем пренебрегать вторыми и более высокими степенями этого отношения. Например, если при выводе нам придется иметь дело с выражением 1 − υ 2 c 2 , мы будем пренебрегать величиной υ 2 c 2 по сравнению с единицей:

1 − υ 2 c 2 = 1 , υ 2 c 2 ≪ υ c ≪ 1. (2 )

В этом приближении получаются соотношения, которые на первый взгляд могут показаться странными, хотя ничего странного в них нет, надо только помнить, что соотношения эти не являются точными равенствами, а справедливы с точностью до величины υ c включительно, величинами же порядка υ 2 c 2 мы пренебрегаем. В таком предположении справедливо, например, следующее приближенное равенство:

1 1 − υ c = 1 + υ c , υ 2 c 2 ≪ 1. (3 )

Действительно, умножим обе части этого приближенного равенства на 1 − υ c . Мы получим

1 = 1 − υ 2 c 2 ,

т.е. приближенное равенство (2). Поскольку мы считаем, что величина υ 2 c 2 пренебрежимо мала в сравнении с единицей, мы видим, что в приближении υ 2 c 2 ≪ 1 равенство (3) справедливо.

Аналогично, нетрудно доказать в том же приближении равенство

1 1 + υ c = 1 − υ c . (4 )

Чем меньше величина υ c , тем точнее эти приближенные равенства.

Эффект Доплера

x = υ t .

Определим связь между t’ и t . В момент излучения t’ тело находится в точке x ′ = υ t ′ , a наблюдатель пусть находится в точке х = L . Тогда расстояние от точки излучения до точки приема равно L − υ t ′ , а время, за которое свет пройдет такое расстояние, равно L − υ t ′ c . Зная это, мы легко можем записать уравнение, связывающее t’ и t :

t = t ′ + L − υ t ′ c . t ′ = t − L c 1 − υ c . (5 )

I = I 0 + I 1 cos ω t (I 0 > I 1 > 0 ) ,

где I 0 и I 1 — некоторые постоянные, не зависящие от времени. Неравенство в скобках необходимо потому, что яркость не может быть отрицательной величиной. Но для нас в данном случае это обстоятельство не имеет никакого значения, поскольку в дальнейшем нас будет интересовать только переменная составляющая — второе слагаемое в формуле для I (t ).

cos ω t ′ = cos ω t − L c 1 − υ c = cos ( ω t 1 − υ c − ω L c 1 1 − υ c ) .

ω ′ = ω 1 − υ c . (6 )

Можно сказать, что вперед излучаются большие частоты, а назад — малые (если источник удаляется от наблюдателя, то наблюдатель, очевидно, принимает излучение, испущенное назад).

Как видно, связь между излучаемой и принимаемой частотами определяется скоростью v относительного движения источника и наблюдателя. В этом смысле безразлично, кто движется — источник приближается к наблюдателю или наблюдатель к источнику. Но нам в дальнейшем удобнее будет считать, что наблюдатель покоится.

Строго говоря, в разных системах координат время течет по-разному. Изменение хода времени также сказывается на величине наблюдаемой частоты. Если,например, частота колебаний маятника в системе координат, где он покоится, равна ω , то в системе координат, где он движется со скоростью υ , частота равна ω 1 − υ 2 c 2 − − − − − √ . К такому результату приводит теория относительности. Но поскольку мы с самого начала условились пренебрегать величиной υ 2 c 2 по сравнению с единицей, то изменение хода времени для нашего случая (движение с малой скоростью) пренебрежимо мало.

ω ′ = ω 1 − υ c = ω ( 1 + υ c ) , υ c ≪ 1. (7 )

Для излучения назад имеем

ω ′ = ω 1 + υ c = ω ( 1 − υ c ) , υ c ≪ 1. (8 )

Энергия и импульс фотона

Современное представление о частице электромагнитного поля — фотоне, как и формула E = mc 2 , которую мы собираемся доказать, принадлежит Эйнштейну и было высказано им в том же 1905 году, в котором он доказал эквивалентность массы и энергии. Согласно Эйнштейну, электромагнитные и, в частности, световые волны состоят из отдельных частиц — фотонов. Если рассматривается свет некоторой определенной частоты ω , то каждый фотон имеет энергию E , пропорциональную этой частоте:

E = ℏ ω .

Коэффициент пропорциональности ℏ называется постоянной Планка. По порядку величины постоянная Планка равна 10 -34 , размерность ее Дж·с. Мы здесь не выписываем точного значения постоянной Планка, оно нам не понадобится.

Иногда вместо слова «фотон» говорят «квант электромагнитного поля».

Фотон имеет не только энергию, но и импульс, равный

p = ℏ ω c = E c .

Этих сведений нам будет достаточно для дальнейшего.

Вывод формулы E = mc 2

Рассмотрим покоящееся тело массой m . Предположим, что это тело одновременно излучает два фотона в прямо противоположных направлениях. Оба фотона имеют одинаковые частоты ω и, значит, одинаковые энергии E = ℏ ω , а также равные по величине и противоположные по направлению импульсы. В результате излучения тело теряет энергию

Δ E = 2 ℏ ω . (9 )

Потеря импульса равна нулю, и, следовательно, тело после излучения двух квантов остается в покое.

Этот мысленный опыт представлен на рисунке 1. Тело изображено кружком, а фотоны — волнистыми линиями. Один из фотонов излучается в положительном направлении оси x , другой — в отрицательном. Около волнистых линий приведены значения энергии и импульса соответствующих фотонов. Видно, что сумма излученных импульсов равна нулю.

ω ′ = ω ( 1 + υ c ) .

ω ′′ = ω ( 1 − υ c ) .

E ′ = ℏ ω ′ = ℏ ω ( 1 + υ c )

и импульс

p ′ = ℏ ω ′ c = ℏ ω c ( 1 + υ c ) .

Квант, излученный назад, будет иметь энергию

E ′′ = ℏ ω ′′ = ℏ ω ( 1 − υ c )

и импульс

p ′′ = ℏ ω ′′ c = ℏ ω c ( 1 − υ c ) .

При этом импульсы квантов направлены в противоположные стороны.

Картина процесса излучения, каким его видит движущийся наблюдатель, изображена на рисунке 2.

Важно здесь подчеркнуть, что на рисунках 1 и 2 изображен один и тот же процесс, но с точки зрения разных наблюдателей. Первый рисунок относится к случаю, когда наблюдатель покоится относительно излучающего тела, а второй — когда наблюдатель движется.

Δ E ′ = E ′ + E ′′ = ℏ ω ( 1 + υ c ) + ℏ ω ( 1 − υ c ) = 2 ℏ ω = Δ E ,

Δ p ′ = p ′ − p ′′ = ℏ ω c ( 1 + υ c ) − ℏ ω c ( 1 1 υ c ) = 2 ℏ ω c υ c = Δ E c 2 υ . (10 )

Движущийся излучатель теряет импульс Δ E υ c 2 и, следовательно, должен, казалось бы, тормозиться, уменьшать свою скорость. Но в системе покоя излучение симметрично, излучатель не меняет скорости. Значит, скорость излучателя не может измениться и в той системе, где он движется. А если скорость тела не меняется, то как оно может потерять импульс?

Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, как записывается импульс тела массой m :

p = m υ

— импульс равен произведению массы тела на его скорость. Если скорость тела не меняется, то его импульс может измениться только за счет изменения массы:

Δ p = Δ m υ

Здесь Δp — изменение импульса тела при неизменной скорости, Δm — изменение его массы.

Δ E c 2 υ = Δ m υ , Δ E = Δ m c 2 ,

E = m c 2 .