Если взять обычную пальчиковую батарейку из пульта от телевизора, и превратить ее в энергию, то точно такую же энергию можно получить от 250 миллиардов таких же батареек, если использовать их по-старинке. Не очень хороший получается КПД.
А то и означает, что масса и энергия - это одно и то же. То есть масса - это частный случай энергии. Энергию, заключенную в массе чего угодно, можно посчитать по этой простой формуле.
Скорость света - это очень много. Это 299 792 458 метров в секунду или, если вам так удобнее, 1 079 252 848,8 километров в час. Из-за этой большой величины получается, что если превратить чайный пакетик целиком в энергию, то этого хватит, чтобы вскипятить 350 миллиардов чайников.
У меня есть пара грамм вещества, где мне получить мою энергию?
Перевести всю массу предмета в энергию можно, только если вы где-нибудь найдете столько же антиматерии. А ее получить в домашних условиях проблематично , этот вариант отпадает.
Термоядерный синтез
Существует очень много природных термоядерных реакторов, вы можете их наблюдать, просто . Солнце и другие звезды - это и есть гигантские термоядерные реакторы.
Другой способ откусить от материи хоть сколько-то массы и превратить ее в энергию - это произвести термоядерный синтез . Берем два ядра водорода, сталкиваем их, получаем одно ядро гелия. Весь фокус в том, что масса двух ядер водорода немного больше, чем масса одного ядра гелия. Вот эта масса и превращается в энергию.
Но тут тоже не так все просто: ученые еще не научились поддерживать реакцию управляемого ядерного синтеза, промышленный термоядерный реактор фигурирует только в самых оптимистичных планах на середину этого столетия.
Ядерный распад
Ближе к реальности - реакция ядерного распада. Она вовсю используется в . Это когда два больших ядра атома распадаются на два маленьких. При такой реакции масса осколков получается меньше массы ядра, пропавшая масса и уходит в энергию.
Ядерный взрыв - это тоже ядерный распад, но неуправляемый, прекрасная иллюстрация этой формулы.
Горение
Превращение массы в энергию вы можете наблюдать прямо у вас в руках. Зажгите спичку - и вот она. При некоторых химических реакциях, например, горения, выделяется энергия от потери массы. Но она очень мала по сравнению с реакцией распада ядра, и вместо ядерного взрыва у вас в руках происходит просто горение спички.
Более того, когда вы поели, еда через сложные химические реакции благодаря мизерной потере массы отдает энергию, которую вы потом используете, чтобы сыграть в настольный теннис, ну или на диване перед телеком, чтобы поднять пульт и переключить канал.
Так что, когда вы едите бутерброд, часть его массы превратится в энергию по формуле E=mc 2 .
/ Физический смысл формулы E = mc 2
Физический смысл формулы E = mc 2
Вряд ли найдётся взрослый человек, не знающий эту формулу. Иногда её даже называют самой знаменитой формулой в мире. Она стала известной человечеству после того, как Эйнштейн создал свою теорию относительности. Согласно Эйнштейну, его формула показывает не просто связь между материей и энергией, а равнозначность материи и энергии. Иными словами, по этой формуле энергия может превратиться в материю, а материя может превратиться в энергию.
Но мне известна и другая формула (да и не только мне, а всем специалистам по тепловым процессам): Q = mr, где Q — количество тепла, m — масса, r — теплота фазового перехода. Любые фазовые переходы (испарение и конденсация, плавление и кристаллизация, абляция и сухая возгонка) описываются этой формулой. При подводе тепла в количестве Q (или его отводе) в новое фазовое состояние переходит такое количество вещества m, которое прямо пропорционально количеству тепла Q и обратно пропорционально теплоте фазового перехода r. А тепло — это разновидность энергии. Но никто и никогда не делал из этого факта вывод, будто в вещество превращается само тепло, то есть энергия. Почему же с формулой E = mc 2 произошла такая пертурбация?
Когда мне удалось получить формулу энергии физического вакуума, вот тогда мне и удалось ответить на этот вопрос. Оказалось, что в самом общем виде энергия физического вакуума описывается этой известной формулой E = mc 2 . А её физический смысл в точности совпадает с физическим смыслом формулы Q = mr: когда мы подводим к вакууму (или эфиру, как его называли раньше) энергию в количестве Е, вакуум порождает такое количество вещества m, которое прямо пропорционально подведённой энергии Е и обратно пропорционально энергии фазового перехода с 2 . Иными словами, никакого перехода энергии в вещество или материю не наблюдается.
А причина допущенной Эйнштейном ошибки относительно физического смысла его формулы заключается в отрицании им реального существования эфира-физвакуума. Если мы полагаем, что эфир не существует, тогда у нас получится, что вещество рождается в самом настоящем смысле слова из пустоты. Но каждому понятно, что из ничего получить что-то невозможно. Поэтому приходится искать иной источник появления вещества. Вследствие того, что данный процесс рождения вещества описывается формулой E = mc 2 , физики настолько привыкают иметь дело с энергией, что начинают воспринимать её как нечто реально существующее, а не характеристику, коей она всего лишь и является. И отсюда остаётся всего лишь один шаг, чтобы заявить о преобразовании в вещество самой энергии.
Скептики могут возразить мне тем, что мои рассуждения опровергаются результатами экспериментов. Мол, эксперименты на ускорителях показывают, что масса элементарных частиц увеличивается с ростом скорости, то есть с ростом энергии, подводимой к частице для увеличения её скорости. И из этого факта делается вывод, будто в данных экспериментах энергия преобразуется в массу. Но когда я поднял информацию о том, как именно выполнялись эти и другие похожие эксперименты, то обнаружил интересную вещь: оказывается, за всю историю научных изысканий ни в одном эксперименте не измеряли массу напрямую, но всегда измеряли затраты энергии, а затем перебрасывали энергию на массу по формуле E = mc 2 и говорили об увеличении массы. Однако, можно предложить иное объяснение повышенным затратам энергии в опытах на ускорителе: подводимая к частице энергия преобразуется не в массу частицы, а в преодоление сопротивления окружающего нас эфира-физвакуума. Когда любой объект (и элементарная частица тоже) движется ускоренно, он своим неравномерным движением деформирует эфир-вакуум, а тот отвечает на это созданием сил сопротивления, для преодоления которых требуется затратить энергию. И чем больше будет скорость объекта, тем больше будет деформация эфира-вакуума, тем больше будут силы сопротивления, тем больше понадобится энергии для их преодоления.
Для того, чтобы выяснить, какая концепция верна (традиционная в виде увеличения массы с увеличением скорости или альтернативная в форме преодоления сил сопротивления эфира-вакуума), необходимо поставить такой эксперимент, в котором масса движущейся частицы измерялась бы напрямую без измерения затрат энергии. Но каков должен быть этот эксперимент, я пока не придумал. Может, придумает кто-то другой?
И. А. ПрохоровВсе, 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.)
- 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 .
