§11. МАССА-ЭНЕРГИЯ

В XVIII веке Ломоносов (и впоследствии независимо от него Лавуазье) открыли закон сохранения массы. В XIX веке Майер, Джоуль и Гельмгольц открыли закон сохранения энергии. К концу XIX века эти законы считались фундаментальными законами физики. Однако после открытия электрона неожиданно оказалось, что масса электрона не является постоянной, а зависит от его скорости, причем изменение массы пропорционально сообщенной ему энергии - по мере приближения скорости электрона к световой дальнейшее сообщение ему энергии приводило не к увеличению скорости, а к увеличению массы. Была высказана гипотеза, что инерция (масса) электрона в значительной степени определяется свойствами его электрического поля. Получалось, что энергия превращается в массу, что шло в разрез с законами сохранения. Многие впечатлительные ученые делали отсюда вывод, что "материя исчезла". Действительно, к концу XIX века ученым уже было известно, что в мире не существует ничего, кроме материи и ее движения. Масса определялась как "количественная характеристика материи", а энергия, соответственно - как "количественная характеристика движения материи". И вдруг оказалось, что масса и энергия - это величины не постоянные, поэтому и заговорили об "исчезновении материи".

Философский ответ на эти утверждения дал В.И.Ленин в своем труде "Материализм и эмпириокритицизм", сказав, что исчезла не материя, а предел наших знаний о ней. Раньше считалось, что масса и энергия - это две совершенно  различные величины, а оказалось, что они связаны между собой.

Дж.Дж.Томсон в 1903 году вывел формулу, отражающую количественную связь между изменением массы и соответствующим изменением энергии. Эта формула выглядит следующим образом:

E = mc²

Первоначально на открытие Томсона никто не обратил внимания, и оно стало известным тогда, когда его опубликовал Эйнштейн. Надо отметить, что на самом деле эта формула не имеет никакого отношения к теории относительности. Как известно, в 1905 году Эйнштейн опубликовал в журнале "Анналы физики" (том 17) одновременно 4 статьи:
1) "Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света" - о фотоэффекте
2) "К электродинамике движущихся тел" - о принципе относительности
3) "О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты" - о броуновском движении
4) "Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии" - о взаимосвязи массы и энергии и зависимости массы от скорости.
То есть теория относительности и формула взаимосвязи массы с энергией и скоростью - это две разных отрасли науки. Однако сторонники теории относительности часто связывают их между собой, чтобы придать теории относительности авторитета - поскольку соотношения для массы подтверждены всей практикой, чего нельзя сказать о тех же преобразованиях Лоренца

Кинетическая энергия определяется как разница между массой движущегося тела и его массой покоя (так называют массу тела, когда его скорость равна нулю), помноженная на квадрат скорости света:

E_K = (m-m₀)c²

Если считать, что скорость намного меньше световой, то эта формула преобразуется в известную из классической физики: E_K=mv²/2.

Любое изменение массы всегда связано с соответствующим ей изменением энергии. Любая энергия обладает массой. И, наоборот, любое тело, обладающее массой, содержит в себе энергию.

Например, при нагревании литра воды на 100 градусов поглощается энергия, равная 420 кДж. В результате литр кипящей воды тяжелее, чем такое же (по количеству молекул) количество тающего льда, на 5 миллиардных долей грамма. Примерно аналогичные изменения массы происходят и при химических реакциях. Такие изменения массы нельзя зафиксировать никакими весами, поэтому все эксперименты показывали, что при химических и физических реакциях масса остается постоянной.

В одном килограмме массы любого вещества содержится энергия, равная 9*10¹⁶ Джоулей. Это очень громадная величина. В химических взаимодействиях тратятся лишь ничтожные доли граммов массы, а в ядерных реакциях - примерно 1% от массы делящегося материала, и этого одного процента достаточно для выделения огромной энергии. Ежесекундно на Солнце 570 миллионов тонн водорода превращаются в 566 миллионов тонн гелия. В ходе этих ядерных реакций Солнце каждую секунду теряет 4 миллиона тонн своей массы, которые превращаются в излучение Солнца.

В атомных ядрах, состоящих из протонов и нейтронов, масса атомного ядра всегда меньше, чем масса его протонов и нейтронов вместе взятых. Поэтому для того, чтобы разделить ядро на протоны и нейтроны, нужно добавить ядру "недостающую" массу, то есть сообщить ему очень большую энергию. Этот "дефект массы" атомных ядер называют энергией связи ядра, потому что именно за счет этого дефекта массы ядерное ядро не разлетается из-за электрического отталкивания одноименно заряженных протонов, а остается устойчивым. Энергия связи, приходящаяся на один протон или нейтрон, разная для разных видов атомных ядер, поэтому при ядерных реакциях (превращении атомных ядер одно в другое) может выделяться или поглощаться огромная энергия. Именно это и лежит в основе ядерной энергетики и ядерного оружия.

Полностью запасенная в массе энергия может выделиться во время процесса, который называется аннигиляция. Для того, чтобы этот процесс произошел, необходим контакт вещества с антивеществом. Пока этот процесс осуществлен только на элементарных частицах. Когда электрон встречается со своей античастицей - позитроном (масса позитрона такая же, как у электрона, а все остальные характеристики противоположны характеристикам электрона), то обе эти частицы исчезают, а вместо них появляются два фотона с энергией, равной суммарной энергии покоя электрона и позитрона (если происходит аннигиляция протона с антипротоном, то процесс несколько более сложный, но в конечном итоге всё заканчивается высвобождением энергии, "запасенной" в массе. Возможен и обратный процесс - когда гамма-квант с достаточно большой энергией сталкивается с преградой или попадает в сильное электромагнитное поле, он "исчезает", превращаясь в электрон-позитронную пару.

Каков физический смысл закона взаимосвязи массы и энергии? Первоначально его трактовали как "превращение массы в энергию" или, наоборот, "превращение энергии в массу". Но это неверно. Не существует двух отдельных величин: массы и энергии, и не существует отдельных "закона сохранения массы" и "закона сохранения энергии", а существует одна общая величина, которая называется "масса-энергия", и существует фундаментальный закон природы, который называется "закон сохранения массы-энергии".

Для разных частных случаев массу-энергию можно выражать либо в единицах массы (килограммах), либо в единицах энергии (джоулях). В микромире эти понятия фактически слились: единица энергии - электронвольт (энергия, которую приобретает электрон при прохождении разницы потенциалов в 1 вольт) и производная от нее единица мегаэлектронвольт (МэВ = 1 млн. электронвольт = 1,6*10^-13 Дж) на практике фигурирует как единица массы частиц: масса электрона - 0,511 МэВ, масса протона - 938,3 МэВ, масса нейтрона - 939,6 МэВ.

Известно, что материя может существовать в одной из двух форм: либо в форме вещества, либо в форме поля. Вещество удобнее описывать в терминах массы, а поле - в терминах энергии. В 1926 году физик Луи де Бройль ввел понятие корпускулярно-волнового дуализма, когда каждая частица одновременно является волной и наоборот. Качественно можно описывать материю в виде частиц (вещества) или в виде волны (поля), а количественно - в виде массы или энергии.

В мире не существует ничего, кроме материи и ее движения. Масса-энергия - величина, численно описывающая движущуюся материю. А закон сохранения массы-энергии - величина, описывающая общий закон неуничтожимости материи применительно к неорганическим формам движен