Знаменитая формула, связывающая массу с энергией, является одной из самых известных и популярных в мире. Масса тела — это и есть энергия, содержащаяся в ней. Первым, кто сформулировал этот принцип, был Альберт Эйнштейн. Однако и до него намек на связь энергии с массой встречался в других работах. Итак, как же записывается и формулируется это соотношение?
Энергия покоя объекта равна массе, умноженной на квадрат скорости света в вакууме.
E0 = mc2
Эта формула проста в понимании, получается, что любые тела, объекты — это концентрация огромной энергии. А понятие массы и энергии неразрывно связаны в теории относительности. Попробуем разобраться и понять более подробно, что же все это значит.
Содержание
Немного про массу
Известно, что при больших скоростях, близких световым, энергия бесконечно возрастает, отсюда как раз и следует недостижимость скорости света. И здесь иногда возникает небольшая путаница: многие по ошибке считают, что масса также возрастает как и энергия. Да, но только релятивистская. Поэтому уточним, дабы избежать путаницы.
Будем использовать только массу покоя в обычном ее понимании, которая является абсолютной величиной и не зависит от скорости. Вместо релятивистской массы будем использовать понятия импульса и энергии.
Связь массы, энергии и импульса
В более общем случае, если тело не покоиться, в связь массы с энергией добавляется импульс. Поэтому окончательный принцип эквивалентности, сформулированный при создании специальной теории относительности для свободно движущейся частицы будет:
E2 — p2 = m2c4
где p — импульс.
Из этого выражения видно что, когда тело покоится (p = 0), энергия тела не становится нулевой. Из этого и вытекает известное соотношение. И можно сделать вывод, что в материи хранятся огромные запасы энергии.
Примеры взаимопревращений
Без конкретных примеров соотношение массы и энергии останется чем-то таинственным. Поэтому приведем примеры, как можно использовать энергию покоя, заключенную в объектах. Сразу после открытия этой эквивалентности появились разговоры о возможных ее практических применениях, что и было сделано в 20 веке.
Превращение массы в энергию
Высвобождение энергии покоя происходит в основном за счет превращения ее в тепловую, то бишь в энергию движения частиц.
Ядерные и термоядерные реакции
В ходе данных реакций (деление или синтез ядер) происходит высвобождение огромной энергии, при котором происходит дефект масс: масса до реакции была больше, чем после и собственно она и превращается в энергию.
Мирное применение нашла только реакция деления ядра, однако работы по укрощению термоядерной реакции активно ведутся. Вполне возможно, что мы скоро увидим новый источник энергии, такой, как на Солнце.
Аннигиляция материи и антиматерии
При данном процессе происходит взаимное уничтожение частиц и античастиц, тем самым высвобождается огромный объем энергии, в основном в виде фотонов.
В настоящий момент практическое применение явления аннигиляции невозможно, так как при нынешних технологиях даже не удалось создать достаточного количества антивещества и хоть немного долго удержать ее. В будущем, вполне вероятно, данный процесс будет использоваться, например, в межзвездных полетах, где потребуется много энергии.
Обратный процесс превращения энергии в массу
Если масса может превращаться в энергию, то может ли происходить обратный процесс? Ответ — да, превращение энергии в массу тоже можно наблюдать, но в реальности это в разы труднее осуществить.
Электромагнитная волна становится электроном
Этот эффект наблюдается тогда, когда у электромагнитной волны такая частота ν, что ее энергия E = hν будет больше, чем энергия покоя электрона. В этом случае волна может превратиться в электрон, либо в античастицу электрона — позитрон.
Столкновение частиц на большой скорости
В массу может превращаться кинетическая энергия частиц, движущихся с околосветовой скоростью в момент их столкновения с другими. В этом случае появляются новые частицы с массой большей, чем масса участвующих частиц до столкновения.
Лишняя масса — это результат перехода кинетической энергии в массу новой частицы. Подобные процессы происходят далеко в космосе или в некоторых коллайдерах.
Заключение
Безусловно, принцип эквивалентности массы и энергии — это одно из значимых открытий начала 20 века, повлиявший на весь ход истории. Соотношение E = mc2 показывает, что в веществе заложены большие запасы энергии и оно нашло практическое применение в военной и энергетической промышленностях.