 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
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:
где mо- 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:
При скоростях v, меньших 40% скорости света свсе слагаемые правой части, кроме первых двух, в сумме не превышают 1% mv. Следовательно:
Умножим правую и левую часть на
Последнее слагаемое правой части формулы (1.3,б) есть ни что иное, как кинетическая энергия частицы Wk, вычисленная по классическим формулам механики. Следовательно: mvc2 = m0c2 + Wk. (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 Wп, 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: Wk=0,5mv2, (1.6) где m - масса подвергшихся воздействию поля группы частиц. Изменение величины Wkравно 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: Wk +Wп = const (1.7) Релятивистская физика (т.е. физика, включающая в себя теорию относительности) добавляет в это выражение ещё одно слагаемое Wm + Wk + Wп = const, (1.7,а) причём 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 · 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).
Поиск по сайту: |
, (1.2)
(1.3)
. (1.3,а)
:
. (1.3,б)
, которое можно назвать энергией вещества, или материальной энергией:
. (1.7,б)
- лучей, т.е. преобразование вещества во взаимодействие;