Что такое масса и энергия?

В классической физике, также как в повседневном быту и большинстве прикладных наук, мерой материи служит масса. Единицей массы принят в системе СИ килограмм, эталон которого выполнен в виде цилиндра из сплава платины и иридия – металлов, не поддающихся коррозии.

Прежде чем перейти к обоснованию того, почему современная физика отказалась от этой меры материи и перешла к другой – энергии, проанализируем, что такое масса с точки зрения современных естественно-научных знаний?

Во-первых, это мера инерции материала, т. е. величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности между силой и ускорением во втором законе Ньютона. Во-вторых, это мера гравитационного взаимодействия двух тел в законе всемирного тяготения (кстати, тоже законе Ньютона).

Длительные и тщательные экспериментальные исследования показали, что обе массы – инертная и гравитационная – равны. Более того, согласно общей теории относительности, так и должно быть. Гравитационное взаимодействие рассматривается как местное изменение масштаба времени и пространства. Эта же теория утверждает, что в движущихся друг относительно друга системах различны не только такты времени и размеры длины, но и массы. Оказывается, масса тела, движущегося относительно наблюдателя со скоростью v, больше неподвижного:

, (1.2)

где m_о - масса этого тела в неподвижном состоянии, а с – скорость света, равная 3 ∙ 10⁸ м/с. Так, при ускорении электрона в ускорителях и достижении им скорости 0,8 с(2,4х10⁸ м/с) его масса увеличивается на 65%. Таким образом, обнаруживается, что масса не является неизменным показателем количества вещества. А значит и материи? Какая же физическая величина не зависит от скорости (а также и ускорения) и может быть использована в качестве количественной меры материи?

Для ответа на этот вопрос попробуем разложить формулу (1.2) в ряд Тейлора:

(1.3)

При скоростях v, меньших 40% скорости света с все слагаемые правой части, кроме первых двух, в сумме не превышают 1% m_v. Следовательно:

. (1.3,а)

Умножим правую и левую часть на :

. (1.3,б)

Последнее слагаемое правой части формулы (1.3,б) есть ни что иное, как кинетическая энергия частицы W_k, вычисленная по классическим формулам механики. Следовательно:

m_vc² = m₀c² + W_k. (1.4)

Формула (1.4) показывает, что если в качестве меры вещества принять величину

W = mc², (1.5)

имеющую размерность энергии, то её вид оказывается инвариантным (неизменным) при изменении скорости движения физического объекта. Из этой формулы следует, что энергия и масса связаны между собой, хотя первая и вторая характеризуют разные стороны природы – движение и материю. Иными словами, мы должны принять – либо материя измеряется массой, но тогда и движение обладает массой, либо то и другое измеряется энергией. Чтобы выбрать между этими двумя характеристиками, следует точно ответить на вопрос, что такое энергия.

В классической механике энергия обозначает собой величину, остающуюся неизменной в процессе преобразования взаимодействия материальных объектов в их движение. Напомним, что взаимодействием называется способ, с помощью которого один материальный объект воздействует на другой. Этот способ сводится к следующему. Каждая элементарная частица – электрон, протон, нейтрон и некоторые другие – представляет собой шарик (корпускулу), окружённый распределёнными в пространстве вокруг него полями – гравитационным, электромагнитным и ядерными (сильным и слабым). Попадая в каждое из этих полей, другая частица подвергается воздействию, т.е. приобретает ускорение, величина которого зависит от характеристик поля в каждой конкретной точке пространства. Главной из этих характеристик является потенциальная энергия W_п, которая определяется параметрами частиц, образовавшей поле и попавшей в неё, и расстоянием между ними. Вообще-то обе частицы окружены полями и воздействуют ими друг на друга, и здесь говорится о действии поля одной из них на другую лишь для большей определённости изложения. Тем более, что поля обладают двумя очень удобными с точки зрения количественного рассмотрения свойствами:

· при попадании поля одной частицы в поле другой их потенциальные энергии алгебраически складываются (оно именуется свойством наложения или транспозиции);

· поле каждой частицы располагается вокруг её центра сферически симметрично. Иными словами, если окружить эту частицу мысленно сферой, концентрической с ней, то потенциальная энергия в каждой точке этой сферы будет одной и той же*.

Учитывая сказанное, нетрудно понять, как из относительно несложных полей отдельных элементарных частиц складывается более сложное поле их скопления. При этом, правда, оказывается, что суммарная потенциальная энергия по-прежнему воздействует на попавшую в поле частицу или скопление связанных между собой частиц так, что у них появляется ускорение. Одновременно у последних изменяется величина, однозначно связанная с их скоростью - кинетическая энергия:

W_k=0,5mv², (1.6)

где m - масса подвергшихся воздействию поля группы частиц. Изменение величины W_k равно изменению потенциальной энергии поля и противоположно ему по знаку.

Таким образом, в классической механике энергией обозначается величина, остающаяся неизменной (инвариантом) в процессе взаимодействия элементарных частиц или их скоплений (т.е. фактически любых объектов природы). Этот закон именуется законом сохранения энергии или первым законом термодинамики:

W_k +W_п = const (1.7)

Релятивистская физика (т.е. физика, включающая в себя теорию относительности) добавляет в это выражение ещё одно слагаемое , которое можно назвать энергией вещества, или материальной энергией:

W_m + W_k + W_п = const, (1.7,а)

причём

. (1.7,б)

Интересно отметить, что равенство (1.7,а) свидетельствует о том, что материя может переходить в движение или взаимодействие и наоборот. Современная физика накопила большое количество экспериментальных фактов, подтверждающих этот вывод [17, 26, 27]. К их числу относятся:

· аннигиляция пары частица-античастица с образованием - лучей, т.е. преобразование вещества во взаимодействие;

· возникновение дефекта масс при радиоактивном распаде и ядерном синтезе, приводящего к нагреву окружающей среды, т.е. преобразование вещество Þ движение;

· увеличение массы частиц в ускорителях (например, в коллайдерах), т.е. преобразование движениеÞвещество.

Квантовая физика, подвергнувшая резкому изменению взгляд на элементарные частицы и их движение, а, следовательно, на вещество в целом, тем не менее сохранила данный закон неизменным.

Ещё одним доводом в пользу измерения материи энергией служит тот факт, что электрически заряженные частицы оказывают воздействию поля других частиц сопротивление, аналогичное инерции, даже если у них нет массы. В связи с этим у физиков появилась мысль рассматривать массу как результат электромагнитных свойств вещества, как электромагнитную массу [13,21]. Энергии же пока такое крушение не угрожает.

Подводя итог сказанному, констатируем, что энергия является наиболее универсальной мерой материи. Все процессы в природе, связанные с преобразованием энергии (включая процессы превращения вещества), являются материальными или энергетическими. Их главная особенность – постоянство энергетического баланса (сохранение энергии).

Дата добавления: 2015-08-27