Сотні років у фізиці був присутній непорушний закон, в якому ніколи не сумнівалися: в будь-якої реакції, яка відбувається у Всесвіті, зберігається маса. Неважливо, які інгредієнти використовувати, яка реакція відбулася, і що вийшло - сума того, з чого ви починали, і сума того, з чим ви виявлялися, будуть рівними за масою. Але за законами спеціальної теорії відносності маса не може бути збереження величиною, оскільки різні спостерігачі не погодяться з приводу того, якою енергією володіє система. Замість цього Ейнштейн зміг вивести закон, який ми використовуємо і до цього дня, керований одним з простих і найбільш потужних рівнянь: E = mc2.
У найзнаменитішого рівняння Ейнштейна всього три складових:
1) E, або енергія, повністю займає одну частину рівняння, і представляє повну енергію системи.
2) m, маса, пов'язана з енергією через перетворюючі множник.
3) c2, квадрат швидкості світла - необхідний чинник, що забезпечує еквівалентність маси і енергії.
Сенс цього рівняння змінив весь світ. Як писав сам Ейнштейн:
Зі спеціальної теорії відносності випливало, що маса і енергія - різні прояви однієї речі. Ця концепція була незнайома середній людині.
І ось три найбільш значущих слідства цього простого рівняння.
Навіть у покояться мас є притаманна їм енергія. У школі ви вивчали всі типи енергій - механічну, хімічну, електричну, кінетичну. Всі ці види енергій притаманні рухомим або реагує об'єктів, і ці форми енергії можна використовувати для виконання роботи, наприклад, для запуску двигуна, світіння лампочки або перемелювання зерна в борошно. Але навіть звичайна маса спокою володіє властивою їй енергією: і величезною кількістю. Це веде до приголомшливого слідству: гравітація, що виникає між двома будь-якими масами в ньютоновой всесвіту, теж повинна працювати на підставі енергії, еквівалентної масі відповідно до рівняння E = mc2.
Масу можна перетворити в чисту енергію. Це друге значення рівняння, і E = mc2сообщает нам, скільки точно енергії можна отримати при перетворенні маси. На кожен кілограм маси, перетворюється в енергію, вийде 9 × 10 ^ 16 Дж енергії, що еквівалентно 21 мегатонн ТНТ. Спостерігаючи за радіоактивним розпадом, або реакціями поділу або синтезу ядер, можна бачити, що підсумкова маса виявляється менше початкової; закон збереження маси не працює. Але різниця дорівнює кількості звільненій енергії! Це працює для всіх випадків, від розпаду урану і атомних бомб до ядерного синтезу в ядрі Сонця і анігіляції часток матерії / антиматерії. Знищувана маса перетворюється в енергію, кількість якої розраховується за формулою E = mc2.
Енергію можна використовувати для створення маси практично з нічого - просто з чистої енергії. Останнє значення формули найбільш видатне. Якщо взяти два більярдних кулі і сильно зіштовхнути їх разом, то на виході вийде два більярдних кулі. Якщо взяти фотон і електрон і зіштовхнути їх разом, то вийде фотон і електрон. Але якщо зіштовхнути їх з досить великою енергією, то вийде фотон, електрон і нова пара частинок матерії / антиматерії. Інакше кажучи, можна створити дві нові масивні частинки:
- частку матерії, наприклад, електрон, протон, нейтрон, і т.п.,
- частку антиматерії, наприклад, позитрон, Антипротон, антинейтрон і т.п.
які з'являться, тільки якщо вкласти в експеримент досить енергії. Саме так на прискорювачах, таких, як ВАК в ЦЕРН, шукають нові, нестабільні високоенергетичні частинки (такі, як бозон Хіггса або верхній кварк): створюючи нові частинки з чистої енергії. Що Виходить маса виникає з доступною енергії: m = E / c2. Це також означає, що час життя частинки обмежена, то через принципу невизначеності Гейзенберга їй властива невизначеність значення маси, оскільки δE δt ~ ℏ, і, отже, з рівняння Ейнштейна слід і відповідна δm. Коли фізики міркують про ширину частки, вони мають на увазі цю внутрішню невизначеність маси.
Еквівалентність енергії і маси також привела Ейнштейна до такого великого досягнення, як загальна теорія відносності. Уявіть, що у вас є частка матерії і частка антиматерії, з однаковими масами спокою. Їх можна аннигилировать, і вони перетворяться на фотони з певною енергією, точно за формулою E = mc2. Тепер уявіть, що ця пара частка / античастка швидко рухається, нібито впавши до нас з глибокого космосу, а потім анігілює поблизу поверхні Землі. У цих фотонів виявиться додаткова енергія - не тільки E з E = mc2, але і додаткова E, кінетична енергія, придбана через падіння.
Якщо енергія повинна зберігатися, то гравітаційне червоне (і синє) зміщення повинні бути реальними. У гравітації Ньютона немає способу пояснити цей ефект, але в ейнштейнівська ОТО кривизна простору означає, що падіння в гравітаційне поле додає вам енергії, а вихід з гравітаційного поля змушує вас витрачати енергію. Виходить, що повна і загальна взаємозв'язок для будь-якого об'єкта, що рухається буде не E = mc2, а E2 = m2c4 + p2c2 (де p - імпульс). І тільки узагальнюючи всю інформацію, включаючи в опис енергію, імпульс і гравітацію, можна по-справжньому описати Всесвіт.
Найбільше рівняння Ейнштейна, E = mc2, є тріумфом мощі і простоти фундаментальної фізики. У матерії є притаманна їй енергія, масу можна перетворити (при певних умовах) в чисту енергію, а енергію можна використовувати для створення масивних об'єктів, що не існували раніше. Такий метод роздумів дає нам можливість відкривати фундаментальні частинки, з яких складається наш Всесвіт, винаходити ядерну енергію і ядерну зброю, відкривати теорію гравітації, що описує взаємодію всіх об'єктів у Всесвіті. Ключем до знаходження цього рівняння послужив скромний уявний експеримент, заснований на простому припущенні: збереження енергії і імпульсу. Решта виявляється неминучим наслідком схеми роботи Всесвіту.
джерело
