E m физика – Что означает формула E=mc2 и как с ее помощью раздобыть много энергии — T&P
- Комментариев к записи E m физика – Что означает формула E=mc2 и как с ее помощью раздобыть много энергии — T&P нет
- Советы абитуриенту
- E=mc² | Наука | FANDOM powered by Wikia
- Физический смысл формулы E = mc2
- Что означает формула E=mc2 и как с ее помощью раздобыть много энергии — T&P
- Эквивалентность массы и энергии | Virtual Laboratory Wiki
- Физика 21 века: – Электрон (элементарная частица)
- Почему E равно mc2 (часть 1-я)
- Теория относительности Эйнштейна для чайников
E=mc² | Наука | FANDOM powered by Wikia
Файл:E equals m plus c square at Taipei101.jpgE=mc² — уравнение, которое в теоретической физике устанавливает взаимосвязь между энергией (E), в любой форме, и массой (m). В этой формуле $ c^2 $, квадрат скорости света в вакууме, является постоянным множителем, переводящим массу в энергию. Например E (джоули) = M (килограммы) · (299792458(метры в секунду))². Популярный, и известный многим, вид формулы E=mc², является неудачным, так как речь идет не о всякой энергии, а о энергии покоя Е0. Т. о. следует писать формулу следующим образом Е0=mc2
$ E = mc^2 $ применимо ко всем объектам с массой или энергией, так как оно утверждает, что масса происходит из энергии, или энергия из массы, и что одно можно превращать в другое, что является основой ядерной энергии.
Обычно это уравнение применяется к объекту, который покоится по отношению к системе отсчёта. Но тот же объект может считаться движущимся с точки зрения другой системы отсчёта, так что уравнение всё равно действительно, но полная энергия (или, эквивалентно, масса) различается по величине в разных системах отсчёта. То есть в отличие от ньютоновской механики, в специальной теории относительности, релятивистская масса различна в различных системах отсчёта.
Для осознания этого надо понять, что существует два разных понятия для слова «масса». Например в одном смысле масса означает обычную массу, которую можно измерить, находясь в покое относительно массы. Это понятие массы покоя, которое обозначается как $ m_0 $.
Изучавшим физику знакома ньютоновская формула кинетической энергии : $ E = \frac{1}{2}m v^2 $. Это, по сути, то же самое, что и знаменитая формула Эйнштэйна, несмотря на совсем другой вид. В своей специальной теории относительности Эйнштейн обнаружил, что единственно правильным выражением для энергии движущегося тела является
- $ E = \frac{m_0 c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}. $
Релятивистская масса Править
Математические формулы будут проще, если мы определим другой тип массы. Релятивистская масса определяется как
- $ m_{\mathrm{rel}} \equiv \gamma m_0 \equiv \frac{m_0}{\sqrt{1-v^2/c^2}} . $,
Следует отметить, что физического смысла ввода массы подобного сорта — нет! Более того масса, зависящая от скорости — «безобразна». См., к примеру, статью Окуня Л. Б. в журнале «Успехи фических наук» (УФН)Выпуск 7, 1989 или см. http://www.ufn.ru/ufn89/ufn89_7/Russian/r897f.pdf ===
Используя эту формулу для массы, мы может записать $ E=m_{\mathrm{rel}}c^2 $. Теперь до тех пор, пока скорости не станут сравнимы со скоростью света, эта релятивистская масса почти точно равна массе покоя. То есть, если задать $ v=0 $, то получим что $ m_{\mathrm{rel}}=m_0 $.
Для понимания различия между массой покоя и релятивистской массой необходимо переписать уравнение $ E = mc^2 $ в названии статьи либо как $ E = m_0 c^2 $ при $ v = 0 $, либо как $ E = m_{\mathrm{rel}} c^2 $ при $ v \neq 0 $.
В оригинальных статьях Эйнштейна (см. напр. [1]) m обозначает то, что сейчас назвали бы релятивистской массой. Когда современный физик говорит о «массе», он или она почти наверняка говорит о массе покоя. Это может служить причиной непонимания.
Приближение малых скоростей Править
Для скоростей, значительно меньших скорости света можно переписать точное уравнение в виде приближенного уравнения:
- $ E = m_0 c^2 \left[ 1 + \frac{1}{2} \left(\frac{v}{c}\right)^2 + \frac{3}{8} \left(\frac{v}{c}\right)^4 + \frac{5}{16} \left(\frac{v}{c}\right)^6 + \ldots \right] . $
(Для знатоков анализа это разложение в ряд Тейлора.) Члены б´ольших степеней в этом выражении (те что стоят правее) становятся всё меньше и меньше, так как скорость $ v $ гораздо меньше чем $ c $, так, что $ v/c $ довольно мало. Если скорость достаточно мала, то можно отбросить все члены кроме двух первых и получить
- $ E \approx m_0 c^2 + \frac{1}{2} m_0 v^2 . $
Таким образом видно, что ньютоновская формула для кинетической энергии просто пренебрегает той частью, о которой Ньютон ничего не знал — $ m_0 c^2 $. Это могло произойти только из-за того, что Ньютон мог наблюдать объекты, движущиеся со скоростями малыми по сравнению со скоростью света, и вообще не мог наблюдать превращение массы в энергию, как это происходит в ядерных процессах. Эйнштейну потребовалось добавить дополнительный член, чтобы сделать формулу верной и при высоких скоростях. Сделав это он открыл, что масса может превращаться в энергию.
Интересно заметить, что поскольку член $ m_0 c^2 $ является константой, его можно включить в ньютоновскую механику, так как только изменения в энергии имеют какое-либо влияние на то, что происходит с телами. Это было бы большой потерей времени и усилий, хотя именно потому, что этот член не имеет никакого значения до тех пор, пока мы не рассматриваем такие вещи, как ядерные реакции. Те члены высшего порядка, которые мы отбросили, показывают, что относительность является поправкой высших порядков к ньютоновской механике. Ньютоновская механика на самом деле неверна, но достаточно близка к действительности при маленьких скоростях, можно сказать, что ньютонова механика применима при скоростях много меньших скорости света.
Значения формулы Править
Это формула предполагает, что если тело имеет массу, оно обладает определённым количеством энергии – “энергией покоя”, даже если оно покоится и не обладает ни потенциальной энергией какого-либо типа, ни химической энергией, ни какой-либо другой, оно всё-равно обладает этой энергией. Эта формула также даёт количественное соотношение, например, между выделяемой энергией и расходуемой массой в любом процессе, в котором в масса переходит в энергию, как например в ядерных реакциях.
В ньютоновской механике масса не переходит в энергию, поэтому массу покоя можно не принимать во внимание.
С другой стороны, тело, не обладающее массой покоя, как например фотон, может обладать энергией и поэтому иметь «массу» m=E/c², в частности участвовать в гравитационном взаимодействии.
История и последствия Править
Впервые формула появилась в 1900 году в статье Анри Пуанкаре, при описании эквивалентной массы излучения.
Альберт Эйнштейн вывел формулу, основываясь на своём исследовании от 1905 года о поведении объекта, движущегося с около световой скоростью. Знаменитое заключение, которое он вывел из исследования состоит в том, что масса тела является мерой его энергии покоя. Для осознания значимости этого утверждения необходимо сравнить электромагнитные силы с гравитационными силами. В электромагнетизме энергия содержится в полях (электрическом и магнитном), связанных с силами, а не с зарядами. В гравитации энергия содержится в самой материи. Тот факт, что масса искривляет пространство, в то время как заряды трёх других фундаментальных сил не искривляют, не является случайностью.
- Энергия покоя = Масса×(скорость света)²
Согласно уравнению, максимальная энергия, которую можно получить от объекта, равна массе объекта, помноженной на квадрат скорости света.
Это уравнение было краеугольным камнем в создании атомной бомбы. Измеряя массу разных атомных ядер и вычитая из этого числа полную массу протонов и нейтронов, которую они имели бы поотдельности, можно получить оценку энергии связи, доступной в данном атомном ядре. Это не только показало, что возможно высвободить эту энергию путем слияния лёгких ядер или деления тяжёлых ядер, но и позволило оценить количество энергии связи, доступной для высвобождения. Следует отметить, что массы протонов и нейтронов тоже представляют собой энергию.
Менее известен тот незначительный факт, что Эйнштейн первоначально записал своё уравнение в форме $ dm = \frac{L}{c^2} $ (с обозначением энергии в виде «$ L $» вместо «$ E $», которое обозначало энергию в другом месте статьи).
Килограмм массы полностью превращается в
- 89,875,517,873,681,764 джоулей или
- 24,965,421,632 киловатт-часов или
- 21.48076431 мегатон тротилового эквивалента
- примерно 21.4 миллиона Гигакалорий
Важно отметить, что в практических применениях превращение массы в энергию редко происходит со стопроцентной эффективностью. Теоретически совершенным превращением было бы столкновение материи с антиматерией, однако в большинстве случаев вместо энергии возникают побочные продукты и вследствие этого только очень малое количество массы превращается в энергию. На самом деле, согласно уравнению, масса и есть энергия, но в целях краткости далее будет использоваться слово превращение.
Эйнштейн и его статья 1905 года Править
Альберт Эйнштейн не формулировал именно это уравнение в своей статье 1905 года нем. «Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?» («Зависит ли инерция тела от его энергии?», опубликованной в Annalen der Physik 25-го сентября), одной из его статей, известных как Статьи Annus Mirabilis.
В этой статье говорится: «Если тело отдаёт энергию в виде L в виде излучения, его масса уменьшается на $ L/{c^2} $.», при этом излучение является кинетической энергией, и масса является понятием обыкновенной массы, использовавшемся в то время, тем же, что сегодня называется энергией покоя, либо инвариантной массой, в зависимости от контекста.
Именно разность масс ‘$ \Delta m\ $’ до и после ухода энергии равна $ L/{c^2} $, а не полная масса тела ‘$ m\ $’. В то время это было теоретическим заключением и не было проверено экспериментально.
Эйнштейн не был единственным, кто соотносил энергию и массу, но он был первым, кто представил это в виде части более обширной теории, и, более того, кто вывел формулу из общих предпосылок теории. Согласно Умберто Барточи (историку математики из университета Перуджи), уравнение было впервые опубликовано двумя годами ранее неким Олинто де Прето, промышленником из Виченцы в Италии, хотя этот факт обычно не считается правдивым или значительным среди основной части историков. Даже если Де Прето опубликовал формулу, именно Эйнштейн связал её с теорией относительности. Более того, все предпосылки создания формулы Е=mc2, до Эйнштейна, основывались на Ньютоновой механике, ограниченность которой, уже указывалась.
Телевизионная биография Править
E=mc² использовалось в качестве названия вышедшей в 2005 году телевизионной биографии Эйнштейна, исследующей 1905 год.
Теория относительности, пришедшая ей на смену, и постулировала (вопреки популярной формулировке — «все относительно») постоянство скорости света. Согласно Эйнштейну, никакое тело или сигнал перемещаться быстрее не может, а сам свет преодолевает за секунду путь в 299792 километра в любой системе отсчета и в любом месте Вселенной. С этим спорили, но главным предметом спора были как раз «традиционные ценности» — постоянство масс, длин и временных интервалов, без чего стройная механистическая картина мира разрушалась. В двадцатом веке астрономические эксперименты подтвердили правоту Эйнштейна. В двадцать первом — поставили под сомнение то, в чем сам «отец новой физики» не успел усомниться.
Первыми про старение констант заговорили астрофизики. В их распоряжении были фотоснимки самых старых объектов во Вселенной — а именно, квазаров, которые находятся на периферии видимого пространства. Это значит, что свет, который фиксируют приборы, возник всего через 1-2 миллиарда лет после Большого Взрыва. В 1998 году обнаружилось, что спектр квазара — после всех поправок на допплеровское смещение — выглядел иначе, чем при «лабораторном» анализе веществ, из которых состоит космический объект. По положению линий в атомных спектрах может быть рассчитана постоянная тонкой структуры («альфа») — безразмерная величина, связывающая заряд электрона с константой Планка и скоростью света. Согласно результатам Джона Вебба и Виктора Фламбаума, за 12 миллиардов лет «альфа» увеличилась на несколько миллионных долей.
В спор с астрофизиками вступили ядерщики, чей метод не требовал привлечения внеземных тел. В 1972 году ученые нашли в одной из урановых шахт на территории Габона «натуральный ядерный реактор», возраст которого оценивают 2 миллиардами лет. «Альфу» решили определять по концентрации различных изотопов среди продуктов деления: константа влияет на скорость захвата нейтронов ядрами, так что при большей константе самарий-150 встречался бы чаще, чем показал анализ. Ко всеобщему удивлению, перепроверка в 2004 году подтвердила гипотезу Флагбаума и Вебба. Правда, на этот раз цифры были еще скромнее: 45 миллиардных долей за все время жизни реактора.
Речь, разумеется, шла не просто о росте или убыли отдельной величины. Если в боровской модели атома ей приписывали конкретный физический смысл — «орбитальной скорости» электрона на заданной «орбите» в единицах скорости света, то в современной теории элементарных частиц «альфа» служит параметром, определяющим природу электромагнитных явлений как таковых. Если бы «в начале времен» он отличался от нынешней величины на 4 процента, не происходило бы синтеза углерода в недрах звезд, и жизни не из чего было бы возникнуть. (Кстати, этот факт крайне популярен среди сторонников антропного принципа — утверждения о том, что Вселенная не могла бы быть иной, чем необходимо для появления разумных существ). И, конечно, еще больше возражений вызывала интерпретация «дефекта»: поскольку изменяться заряду электрона запрещают законы сохранения, пострадать должна либо скорость света, либо константа Планка. По ряду причин последнюю версию отбросили, так что под угрозой оказалась уже эйнштейновская теория.
С другой стороны, отнюдь не все физики восприняли известие как катастрофу. Многие были убеждены, что только теперь можно с уверенностью изучать «первые дни» после Большого Взрыва. Термодинамика не в состоянии объяснить, как между различными частями Вселенной установилось тепловое равновесие — для этого отдаленные участки должны были обмениваться по крайней мере излучением, но лимит на скорость его распространения делал такой обмен невозможным. Если же скорость света раньше была «сверхсветовой», причины равновесия становятся понятны.
Новый удар по «мерам и весам» касался соотношения масс протона и электрона. Известная как «мю», эта константа задает размеры молекул и, кроме того, применяется при описании так называемых «сильных» взаимодействий — разновидности процессов, происходящих внутри ядра. «Сильные» внутриядерные силы действуют на кварки — субчастицы с дробным зарядом, из которых «складываются» привычные протоны и нейтроны. Современное соотношение масс гарантирует существование атомов — в противном случае был бы возможен захват электронов ядром, их слияние с протонами и превращение космоса в нейтронную пустыню. Теоретики выяснили, что для такого развития событий «мю» было бы достаточно увеличить всего на 8 сотых процента. Критическая величина только в сорок раз больше той, которую нашли космологи, наблюдая за молекулярным водородом в квазарах.
В этом, в свою очередь, увидели надежду на подтверждение теории струн — гипотезы (или, точнее, семейства гипотез), расширяющей «эйнштейновское» четырехмерное пространство-время до десятков измерений. Вместо частиц расширенное пространство населяют «струны» или «мембраны», колеблющиеся в дополнительных размерностях. «Колебаниям» с определенной частотой отвечают различные свойства «настоящих» частиц. Лишние измерения обладают сложной геометрией, замкнуты и ограничены (а потому — ненаблюдаемы), в отличие от времени и пространства, открытых и бесконечных в первом приближении. Благо математикам такие объекты знакомы и интересны, теория бурно развивалась последние несколько десятилетий, хотя и не получила серьезных экспериментальных подтверждений.
Перспективы выглядят заманчиво: «струны» должны объединить два главных достижения «новой физики» — гравитационную и квантовую теории. Приверженцы этих взглядов готовились узнать о первых «практических» результатах после запуска Большого адронного коллайдера — самого мощного из ускорителей элементарных частиц. События на краю космоса, разумеется, не отменяют земных опытов, однако лишают их статуса «последней надежды». Если масса протона действительно меняется со временем, это можно трактовать как расширение Вселенной, но только в дополнительных размерностях — тех самых, которые опасались не найти.
Что, впрочем, не делает менее неуютной мысль, что ничего абсолютного в этой Вселенной нет.
bg:E=mc² br:E=mc² ca:E=mc² cs:E=mc² da:E=mc² de:Äquivalenz von Masse und Energie en:E=mc² es:E=mc² et:E=mc² eu:E=mc² fa:E=mc² fi:E=mc² fr:E=mc² he:E=mc² hu:E=mc² id:E=mc² it:E=mc² ja:E=mc² ko:E=mc² la:E=mc² lad:E=mc² nap:E=mc² nl:Massa-energierelatie nn:E=mc² no:Masseenergiloven pl:Równoważność masy i energii pt:E=mc² scn:E=mc² sl:E=mc² sr:E=mc² sv:E=mc² tr:E=mc² zh:E=mc²
ru.science.wikia.com
Физический смысл формулы E = mc2
Энергоинформ / Точка зрения / Физический смысл формулы E = mc2
Физический смысл формулы E = mc2
Вряд ли найдётся взрослый человек, не знающий эту формулу. Иногда её даже называют самой знаменитой формулой в мире. Она стала известной человечеству после того, как Эйнштейн создал свою теорию относительности. Согласно Эйнштейну, его формула показывает не просто связь между материей и энергией, а равнозначность материи и энергии. Иными словами, по этой формуле энергия может превратиться в материю, а материя может превратиться в энергию.
Но мне известна и другая формула (да и не только мне, а всем
специалистам по тепловым процессам): Q = mr, где Q — количество
тепла, m — масса, r — теплота фазового перехода. Любые фазовые
переходы (испарение и конденсация, плавление и кристаллизация, абляция
и сухая возгонка) описываются этой формулой. При подводе тепла в количестве Q
(или его отводе) в новое фазовое состояние переходит такое количество вещества m,
которое прямо пропорционально количеству тепла Q и обратно пропорционально
теплоте фазового перехода r. А тепло — это разновидность энергии.
Но никто и никогда не делал из этого факта вывод, будто в вещество
превращается само тепло, то есть энергия. Почему же с формулой E = mc
Когда мне удалось получить формулу энергии физического вакуума, вот тогда мне и удалось ответить на этот вопрос. Оказалось, что в самом общем виде энергия физического вакуума описывается этой известной формулой E = mc2. А её физический смысл в точности совпадает с физическим смыслом формулы Q = mr: когда мы подводим к вакууму (или эфиру, как его называли раньше) энергию в количестве Е, вакуум порождает такое количество вещества m, которое прямо пропорционально подведённой энергии Е и обратно пропорционально энергии фазового перехода с2. Иными словами, никакого перехода энергии в вещество или материю не наблюдается.
А причина допущенной Эйнштейном ошибки относительно физического смысла его формулы заключается в отрицании им реального существования эфира-физвакуума. Если мы полагаем, что эфир не существует, тогда у нас получится, что вещество рождается в самом настоящем смысле слова из пустоты. Но каждому понятно, что из ничего получить что-то невозможно. Поэтому приходится искать иной источник появления вещества. Вследствие того, что данный процесс рождения вещества описывается формулой E = mc 2, физики настолько привыкают иметь дело с энергией, что начинают воспринимать её как нечто реально существующее, а не характеристику, коей она всего лишь и является. И отсюда остаётся всего лишь один шаг, чтобы заявить о преобразовании в вещество самой энергии.
Скептики могут возразить мне тем, что мои рассуждения опровергаются результатами
экспериментов. Мол, эксперименты на ускорителях показывают, что масса элементарных
частиц увеличивается с ростом скорости, то есть с ростом энергии,
подводимой к частице для увеличения её скорости. И из этого
факта делается вывод, будто в данных экспериментах энергия преобразуется в массу.
Но когда я поднял информацию о том, как именно выполнялись эти и другие
похожие эксперименты, то обнаружил интересную вещь: оказывается, за всю
историю научных изысканий ни в одном эксперименте не измеряли массу
напрямую, но всегда измеряли затраты энергии, а затем перебрасывали энергию
на массу по формуле E = mc
Для того, чтобы выяснить, какая концепция верна (традиционная в виде увеличения массы с увеличением скорости или альтернативная в форме преодоления сил сопротивления эфира-вакуума), необходимо поставить такой эксперимент, в котором масса движущейся частицы измерялась бы напрямую без измерения затрат энергии. Но каков должен быть этот эксперимент, я пока не придумал. Может, придумает кто-то другой?
И. А. Прохоровwww.energoinform.org
Что означает формула E=mc2 и как с ее помощью раздобыть много энергии — T&P
Все знают формулу E=mc2, и все слышали, что ее Эйнштейн придумал. Многие даже знают, что Е обозначает энергию, m — массу, а c — скорость света. Но что все это означает?
Если взять обычную пальчиковую батарейку из пульта от телевизора, и превратить ее в энергию, то точно такую же энергию можно получить от 250 миллиардов таких же батареек, если использовать их по-старинке. Не очень хороший получается КПД.
А то и означает, что масса и энергия — это одно и то же. То есть масса — это частный случай энергии. Энергию, заключенную в массе чего угодно, можно посчитать по этой простой формуле.
Скорость света — это очень много. Это 299 792 458 метров в секунду или, если вам так удобнее, 1 079 252 848,8 километров в час. Из-за этой большой величины получается, что если превратить чайный пакетик целиком в энергию, то этого хватит, чтобы вскипятить 350 миллиардов чайников.
У меня есть пара грамм вещества, где мне получить мою энергию?
Перевести всю массу предмета в энергию можно, только если вы где-нибудь найдете столько же антиматерии. А ее получить в домашних условиях проблематично, этот вариант отпадает.
Термоядерный синтез
Существует очень много природных термоядерных реакторов, вы можете их наблюдать, просто взглянув на небо. Солнце и другие звезды — это и есть гигантские термоядерные реакторы.
Другой способ откусить от материи хоть сколько-то массы и превратить ее в энергию — это произвести термоядерный синтез. Берем два ядра водорода, сталкиваем их, получаем одно ядро гелия. Весь фокус в том, что масса двух ядер водорода немного больше, чем масса одного ядра гелия. Вот эта масса и превращается в энергию.
Но тут тоже не так все просто: ученые еще не научились поддерживать реакцию управляемого ядерного синтеза, промышленный термоядерный реактор фигурирует только в самых оптимистичных планах на середину этого столетия.
Ядерный распад
Ближе к реальности — реакция ядерного распада. Она вовсю используется в ядерных электростанциях. Это когда два больших ядра атома распадаются на два маленьких. При такой реакции масса осколков получается меньше массы ядра, пропавшая масса и уходит в энергию.
Ядерный взрыв — это тоже ядерный распад, но неуправляемый, прекрасная иллюстрация этой формулы.
Горение
Превращение массы в энергию вы можете наблюдать прямо у вас в руках. Зажгите спичку — и вот она. При некоторых химических реакциях, например, горения, выделяется энергия от потери массы. Но она очень мала по сравнению с реакцией распада ядра, и вместо ядерного взрыва у вас в руках происходит просто горение спички.
Более того, когда вы поели, еда через сложные химические реакции благодаря мизерной потере массы отдает энергию, которую вы потом используете, чтобы сыграть в настольный теннис, ну или на диване перед телеком, чтобы поднять пульт и переключить канал.
Так что, когда вы едите бутерброд, часть его массы превратится в энергию по формуле E=mc2.
theoryandpractice.ru
Эквивалентность массы и энергии | Virtual Laboratory Wiki
Файл:E equals m plus c square at Taipei101.jpgE=mc² — уравнение из релятивистской физики, которое устанавливает взаимосвязь между энергией покоя ($ E_0 $) и массой (m). Популярный, и известный многим, вид формулы E=mc², является неудачным, так как речь идёт не о всякой энергии, а о энергии покоя Е0. Таким образом, следует писать формулу следующим образом
- $ E_{\text{0}}=m\, c^2\,. $
В специальной теории относительности (СТО), имеют место формулы, связывающие энергию тела $ ~E $, его скорость $ ~v $, импульс $ ~p $ и массу $ ~m $:
- $ E^2-p^2c^2=m^2c^4 \qquad\qquad (1) $
- $ p = \frac{Ev}{c^2} \qquad\qquad \qquad \qquad (2) $
Подставим в формулу $ ~(2) $ скорость $ ~v=0 $, тогда очевидно: $ ~p=0 $, теперь при таком рассмотрении из первого выражения нетрудно получить:
- $ ~E_0=mc^2 $.
Это и есть знаменитая формула связи массы и энергии, такую энергию обычно называют энергией покоя и обозначают как $ ~E_0 $
Значения формулы Править
Эта формула предполагает, что, если тело имеет массу, оно обладает определённым количеством энергии — «энергией покоя». Даже если оно покоится и не обладает ни потенциальной энергией какого-либо типа, ни кинетической энергией, ни какой-либо другой, оно всё равно обладает некой энергией – энергией покоя.
Из классической физики известно, что полная энергия тела $ ~E $ складывается из двух состовляющих: кинетической $ ~E_{kin} $ и потенциальной $ ~E_{pot} $. Первая связана только лишь с движением тела, вторая с наличием поля, в котором находится тело. Положим, что поля нет $ \left( ~E_{pot} =0 \right) $, тогда полная энергия равна только лишь кинетической. Далее, свяжем систему отсчёта с телом $ \left( ~v =0 \right) $, тогда, очевидно, его кинетическая энергия будет равна нулю $ \left( ~E_{kin} = mv^2/2 = 0 \right) $. В итоге получим, что полная энергия тела будет равна нулю. Но это в классике. В релятивизме все иначе, с телом «останется» некоторая энергия, которая численно равна произведению массы этого тела на скорость света в квадрате. Легко понять, что в таком случае полная энергия и будет равна энергии покоя. Для примера, тело массой 1 кг, обладает энергией покоя приблизительно $ 9 \cdot 10^{16} $ джоулей, это эквивалент кинетической энергии того же тела, двигающегося со скоростью $ 6 \cdot 10^9 $ м/с (т.е. в два раза быстрее света)
Почему же такая большая энергия никак не проявила себя в ньютоновой механике? Дело в том, что энергия покоя не вносит никакого вклада в уравнения движения, поэтому в классике нет никакой возможности как-либо её учесть. Более того, этого и не нужно.
Второй аргумент заключается в том, что эта формула даёт количественное соотношение, для процессов, в которых масса переходит в энергию (как, например, в ядерных реакциях).В ньютоновской механике масса не переходит в энергию, поэтому нулевая энергия не проявляет себя и в этом случае.
История и последствия Править
Впервые формула появилась в 1900 году в статье Анри Пуанкаре, при описании эквивалентной массы излучения.
Альберт Эйнштейн вывел формулу, основываясь на своём исследовании от 1905 года о поведении объекта, движущегося с околосветовой скоростью. Знаменитое заключение, которое он вывел из исследования состоит в том, что масса тела является мерой его энергии покоя. Для осознания значимости этого утверждения необходимо сравнить электромагнитные силы с гравитационными силами. В электромагнетизме энергия содержится в полях (электрическом и магнитном), связанных с силами, а не с зарядами. В гравитации энергия содержится в самой материи. Тот факт, что масса искривляет пространство, в то время как заряды трёх других фундаментальных сил не искривляют, не является случайностью.
- Энергия покоя = Масса × (скорость света)²
Согласно уравнению, максимальная энергия, которую можно получить от объекта, равна массе объекта, помноженной на квадрат скорости света.
Это уравнение было краеугольным камнем в создании атомной бомбы. Измеряя массу разных атомных ядер и вычитая из этого числа полную массу протонов и нейтронов, которую они имели бы по отдельности, можно получить оценку энергии связи, доступной в данном атомном ядре. Это не только показало, что возможно высвободить эту энергию путём слияния лёгких ядер или деления тяжёлых ядер, но и позволило оценить количество энергии связи, доступной для высвобождения. Следует отметить, что массы протонов и нейтронов тоже представляют собой энергию.
Менее известен тот незначительный факт, что Эйнштейн первоначально записал своё уравнение в форме $ dm = \frac{L}{c^2} $ (с обозначением энергии в виде «$ L $» вместо «$ E $», которое обозначало энергию в другом месте статьи).
Килограмм массы полностью превращается в
- 89 875 517 873 681 764 джоулей или
- 24 965 421 632 киловатт-часов или
- 21,48076431 мегатонн тротилового эквивалента
- примерно 21,4 миллиона гигакалорий
Важно отметить, что в практических применениях превращение массы в энергию редко происходит со стопроцентной эффективностью. Теоретически совершенным превращением было бы столкновение материи с антиматерией, однако в большинстве случаев вместо энергии возникают побочные продукты и, вследствие этого, только очень малое количество массы превращается в энергию. На самом деле, согласно уравнению масса и есть энергия.
Эйнштейн и его статья 1905 года Править
Альберт Эйнштейн не формулировал именно это уравнение в своей статье 1905 года нем. «Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?» («Зависит ли инерция тела от его энергии?», опубликованной в Annalen der Physik 25-го сентября) – одной из известных как Статьи Annus Mirabilis.
В этой статье говорится: «Если тело отдаёт энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на $ L/{c^2} $». При этом излучение является кинетической энергией, и масса является понятием обыкновенной массы, использовавшимся в то время — тем же, что сегодня называется энергией покоя, либо инвариантной массой, в зависимости от контекста.
Именно разность масс $ \Delta m\ $ до и после ухода энергии равна $ L/{c^2} $, а не полная масса тела ‘$ m\ $’. В то время это было теоретическим заключением и не было проверено экспериментально.
Эйнштейн не был единственным, кто соотносил энергию и массу, но он был первым, кто представил это в виде части более обширной теории, и, более того, кто вывел формулу из общих предпосылок теории. Согласно Умберто Барточи (историку математики из университета Перуджи), уравнение было впервые опубликовано двумя годами ранее неким Олинто де Прето, промышленником из Виченцы в Италии, хотя этот факт обычно не считается правдивым или значительным среди основной части историков. Даже если Де Прето опубликовал формулу, именно Эйнштейн связал её с теорией относительности. Более того, все предпосылки создания формулы Е=mc², до Эйнштейна основывались на Ньютоновой механике, ограниченность которой уже указывалась.
В 1873 году Н.А.Умов (Теория простых сред, Спб, 1873) указал на соотношение массы и энергии Е=kMC² (где: 0,5 =< k =< 1).
В 1881 г. Дж.Дж.Томсон дал соотношение: k = 4/3.
В 1890 г. О. Хевисайд дал соотношение: k = 1 и, таким образом, придал уравнению современный смысл. [1]
Биограф Эйнштейна А.Пайс пишет, что соотношение между массой и энергией, выражаемое формулой Е = mc², действительно было известно для частных случаев ещё за 25 лет до Эйнштейна. Но утверждает, что тот впервые обобщил его на все явления природы. [2]
Телевизионная биография Править
- E=mc² использовалось в качестве названия вышедшей в 2005 году телевизионной биографии Эйнштейна, исследующей 1905 год.
- Формула использовалась в рекламном ролике пива «ПИТ»
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Эквивалентность массы и энергии. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .
ru.vlab.wikia.com
Физика 21 века: – Электрон (элементарная частица)
Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта “Викизнание”, под названием “Электрон в полевой теории”, помещена на этот сайт в целях защиты информации от вандалов, а затем дополнена на этом сайте.
Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:
- Классическую электродинамику,
- Квантовую механику,
- Законы сохранения – фундаментальные законы физики.
Использовать не существующие в природе элементарные частицы, выдумывать не существующие в природе фундаментальные взаимодействия, или подменять существующие в природе взаимодействия сказочными, игнорировать законы природы, занимаясь математическими манипуляциями над ними (создавая видимость науки) – это удел СКАЗОК, выдаваемых за науку. В итоге физика скатывалась в мир математических сказок.
1 Радиус электрона
2 Электрическое поле электрона
3 Магнитный момент электрона
4 Масса покоя электрона
5 Новая физика: Электрон (элементарная частица) – итог
Электрон (англ. Electron) – легчайшая элементарная частица, обладающая электрическим зарядом. Квантовое число L=1/2 (спин = 1/2) – группа лептоны, подгруппа электрона, электрический заряд -e (систематизация по полевой теории элементарных частиц). Стабильность электрона обусловлена наличием электрического заряда, при отсутствии которого электрон бы распадался аналогично мюонному нейтрино.
Согласно полевой теории элементарных частиц, электрон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.
Структура электромагнитного поля электрона (E-постоянное электрическое поле ,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)
Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):
- постоянное электрическое поле (E) – 0,75%,
- постоянное магнитное поле (H) – 1,8%,
- переменное электромагнитное поле – 97,45%.
1 Радиус электрона
Радиус электрона (расстояние от центра частицы до места в котором достигается максимальная плотность массы) определяемый по формуле:
равен 1,98 ∙10-11 см.
Радиус области пространства, занимаемого электроном, определяемый по формуле:
равен 3,96 ∙10-11 см. К величине r0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем электрона. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях электрона находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.
Электрон больше любого атомного ядра, поэтому не может присутствовать в атомных ядрах, а рождается в процессе распада нейтрона, также как позитрон рождается в процессе распада в ядре протона.
Утверждения о том, что радиус электрона порядка 10-16 см бездоказательные и противоречат классической электродинамике. При таких линейных размерах электрон должен быть тяжелее протона.
2 Электрическое поле электрона
Электрическое поле электрона состоит из двух областей: внешней области с отрицательным зарядом и внутренней области с положительным зарядом. Размер внутренней области определяется радиусом электрона. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд электрона -e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.
Потенциал электрического поля электрона в точке (А) в дальней зоне (r > > re) точно, в системе СИ равен:
Напряженность E электрического поля электрона в дальней зоне (r > > re) точно, в системе СИ равна:
где n = r/|r| – единичный вектор из центра электрона в направлении точки наблюдения (А), r – расстояние от центра электрона до точки наблюдения, e – элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 – электрическая постоянная, re=Lħ/(m0~c) – радиус электрона в полевой теории, L – главное квантовое число электрона в полевой теории, ħ – постоянная Планка, m0~ – величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося электрона, c – скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель .)
Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля электрона: (r>>re), а голословные утверждения что “электрическое поле электрона остается кулоновским вплоть до расстояний 10-16 см” не имеет ничего общего с действительностью – это одна из сказок, противоречащая классической электродинамике.
Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы. А поле электрического заряда возникает в результате наличия асимметрии между внешней и внутренней полусферами, генерирующими электрические поля противоположных знаков. Для заряженных элементарных частиц в дальней зоне генерируется поле элементарного электрического заряда, а знак электрического заряда определяется знаком электрического поля, генерируемого внешней полусферой.В ближней зоне данное поле обладает сложной структурой и является дипольным, но дипольным моментом оно не обладает. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 “кварков”внутри электрона – лучше если взять 8 “кварков”. Понятное дело, что это выходит за рамки стандартной модели.
У электрона, как и у любой другой заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса:
- электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда -1.25e) – rq-= 3.66 10-11 см.
- электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда +0.25e) – rq+= 3 10-12 см.
Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.
Напряженность E электрического поля электрона в ближней зоне (r ~ re), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:
где n–=r–/r – единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда q– электрона в направлении точки наблюдения (А), n+=r+/r – единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда q+ электрона в направлении точки наблюдения (А), r – расстояние от центра электрона до проекции точки наблюдения на плоскость электрона, q– – внешний электрический заряд -1.25e, q+ – внутренний электрический заряд +0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 – электрическая постоянная, z – высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости электрона), r0 – нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель .)
Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (q–=-1.25e и q+=+0.25e). Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое – дальним. Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области электрона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: r 0~c и Z 0~c).
Потенциал электрического поля электрона в точке (А) в ближней зоне (r ~ re), в системе СИ приблизительно равен:
где r0 – нормировочный параметр, величина которого может отличаться от в формуле E. (В системе СГС отсутствует множитель .) Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области электрона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: r 0~c и Z 0~c).
Калибровку r0 для обоих выражений ближней зоны необходимо производить на границе области, генерирующей постоянные поля электрона.
3 Магнитный момент электрона
В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращением электрических зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0.
Поскольку величины главного квантового числа L и спина у лептонов совпадают, то могут совпадать и величины магнитных моментов заряженных лептонов у обеих теорий.
Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент электрона аномальным – его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.
Так, основной магнитный момент электрона создается током:
- (-) с магнитным моментом -0,5 eħ/m0ec
4 Масса покоя электрона
В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и электрона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:
где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E – напряженность электрического поля, H – напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле.
Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя электрона зависит от условий, в которых электрон находится. Так поместив электрон в постоянное внешнее электрическое поле, мы повлияем на E2, что отразится на массе частицы. Аналогичная ситуация возникнет при помещении электрона в постоянное магнитное поле.
5 Новая физика: Электрон (элементарная частица) – итог
Перед Вами открылся новый мир – мир дипольных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала. Вы увидели, что у электрона имеются не один, а два электрических заряда (внешний и внутренний) и соответствующие им два электрических радиуса. Вы увидели, что линейные размеры электрона значительно превышают линейные размеры протона. Вы увидели, из чего складывается масса покоя электрона и что воображаемый бозон Хиггса оказался не у дел (решения Нобелевского комитета – это еще не законы природы …). Более того, величина массы зависит от полей, в которых находится электрон. Все это выходит за рамки представлений, господствовавших в физике второй половины двадцатого века. – Физика 21 века – Новая физика переходит на новый уровень познания материи.
Владимир Горунович
vladimir-gorunovich.narod.ru
|
physicists.livejournal.com
Теория относительности Эйнштейна для чайников
Специальная теория относительности (СТО) или частная теория относительности – это теория Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1905 году в работе «К электродинамике движущихся тел» (Albert Einstein — Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. Juni 1905).
Она объясняла движение между разными инерциальными системами отсчёта или движение тел, двигающихся в отношении друг друга с неизменной скоростью. В этом случае ни один из объектов не должен приниматься за систему отсчёта, а рассматривать их надо относительно друг друга. СТО предусматривает только 1 случай, когда 2 тела не изменяют направление движения и двигаются равномерно.
Законы СТО перестают действовать, когда одно из тел изменяет траекторию движения или повышает скорость. Здесь имеет место общая теория относительности (ОТО), дающая общее толкование движения объектов.
Два постулата, на которых строится теория относительности:
- Принцип относительности — Согласно ему, во всех существующих системах отсчета, которые двигаются в отношении друг друга с неизменяющейся скоростью и не меняют направление, действуют одни и те же законы.
- Принцип скорости света — Скорость света одинакова для всех наблюдателей и не имеет зависимость от скорости их движения. Это высшая скорость, и ничто в природе не имеет большую скорость. Световая скорость равна 3*10^8 м/с.
Альберт Эйнштейн за основу брал экспериментальные, а не теоретические данные. Это явилось одной из составляющих его успеха. Новые экспериментальные данные послужили базой для создания новой теории.
Физики с середины XIX века занимались поиском новой загадочной среды, названной эфиром. Полагалось, что эфир может проходить через все объекты, но не участвует в их движении. Согласно убеждениям об эфире, изменяя скорость зрителя в отношении эфира, меняется и скорость света.
Эйнштейн, доверяя экспериментам, отверг понятие новой среды эфира и допустил, что скорость света всегда является постоянной и не зависит от любых обстоятельств, таких как скорость самого человека.
Временные промежутки, расстояния, и их однородность
Специальная теория относительности связывает временные промежутки и пространство. В Материальной вселенной существует 3 известных измерения в пространстве: вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз. Если добавить к ним другое измерение, названное временным, то это составит основу пространственно-временного континуума.
Если Вы осуществляете движение с малой скоростью, ваши наблюдения не будут сходиться с людьми, которые двигаются быстрее.
Позже эксперименты подтвердили, что пространство, так же как и время, не может восприниматься одинаково: от скорости движения объектов зависит наше восприятие.
Соединение энергии с массой
Эйнштейн вывел формулу, которая соединила в себе энергию с массой. Эта формула получила широкое распространение в физике, и она знакома каждому ученику: E=m*c², в которой E-энергия; m- масса тела, c-скорость распространения света.
Масса тела возрастает пропорционально увеличению скорости света. Если достигнуть скорости света, масса и энергия тела становятся безразмерными.
Увеличивая массу объекта, становится сложнее достичь увеличения его скорости, т. е для тела с бесконечно огромной материальной массой необходима бесконечная энергия. Но на деле этого достичь нереально.
Теория Эйнштейна объединила два отдельных положения: положение массы и положение энергии в один общий закон. Это сделало возможным преобразование энергии в материальную массу и наоборот.
www.sciencedebate2008.com