Закон эйнштейна у mc2

Что означает формула E=mc 2 и как с ее помощью раздобыть много энергии

Игорь Гладкобородов

Все знают формулу E=mc 2 , 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.

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=mc 2 .

theoryandpractice.ru

Закон эйнштейна у mc2

К идее существования связи между массой и энергией учёные пришли ещё до Эйнштейна, например Пуанкаре и Газенорль (ссылки на английском), несмотря на это, её открытие приписывается Эйнштейну. В качестве оправдания служит по всей видимости утверждение, что эта формула является закономерным следствием специальной теории относительности и то, что её выведет Эйнштейн, было уже как бы предопределено. Однако меня интересует не столько историческая справедливость, сколько в этом случае очевидное экспериментальное опровержение теории относительности.

Как? Неужели E = mc 2 может опровергнуть теорию относительности? Как никак сама формула блестяще подтверждается дефектом масс в процессе радиоактивного распада атомных ядер! – Да, однако это не означает, что таким образом автоматически подтверждается теория относительности, потому что отношение между массой и энергией было получено и до Энштейна без использования его принципа относительности.

E = mc 2 нарушает принцип относительности!

Оригинальная работа Эйнштейна называлась «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?». Чтобы не утомлять читателя цитированием всей хотя и небольшой статьи, я ограничюсь несколькими цитатами, в промежутках вкратце представлю общий ход мыслей Эйнштейна.

«Законы по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменения состояния (принцип относительности). Исходя из этого я, в частности, пришел к следующему результату.

Пусть система плоских волн света, отнесенная к координатной системе (x, y, z), обладает энергией l и пусть направление луча (нормаль к фронту волны) образует угол φ с осью x системы. Если ввести новую координатную систему (ξ, η, ζ), движущуюся равномерно и прямолинейно относительно системы (x, y, z), и если начало координат первой системы движется со скоростью v вдоль оси x, то упомянутая энергия света, измеренная в системе (ξ, η, ζ) , будет

где V – скорость света. В дальнейшем мы воспользуемся этим результатом.»

Далее автор рассматривает тело, находящееся в покое в системе (x, y, z). В двух противоположных направлениях оно посылает световые вспышки с одинаковой энергией L/2. Ключевое утверждение Эйнштейна:

«При этом тело остается в покое относительно системы (x, y, z). Для этого процесса должен выполняться закон сохранения энергии и притом (согласно принципу относительности) по отношению к обеим координатным системам.»

В системе отсчёта (x, y, z) энергия тела до излучения вспышек света E0 равна сумме энергии тела после испускания вспышек света E1 и энергии вспышек света:

где H0 и H1 есть энергии тела соответственно до и после испускания вспышек света в движущейся системе отсчёта (ξ, η, ζ). Как мы видим, в последнем случае из-за релятивисткого коэффициента величина излучённой энергии больше, п оэтому Эйнштейн заключает:

«Кинетическая энергия тела относительно системы (ξ, η, ζ) уменьшается при испускании света на величину, не зависящую от природы тела.»

Так как согласно ключевому предположению

«При этом тело остается в покое относительно системы (x, y, z).«

скорость тела сохраняется, меняться может только масса. Отсюда Эйнштейн делает вывод:

«[. ] если тело отдает энергию L в виде излучения, то его масса уменьшается на L/V 2

По-сути мы имеем дело с типичным эйнштейновским мысленным экспериментом. Будет ли всё точно так же происходить в реальном физическом эксперименте? – Нет!

Даже не надо ставить какой-то специальный эксперимент, достаточно поинтересоваться с какими проблемами борятся учёные в ускорителях элементарных частиц. Особенно пучки электронов претерпевают большие энергетические потери из-за так называемого синхротронного излучения, после чего их приходиться дополнительно ускорять до восстановления первоначальной скорости. в полном противоречии к предположению Эйнштейна, что скорость тела не меняется после излучения вспышек света.

Синхротронное излучение возникает, в частности, если электронный пучок высокой энергии отклоняется с помощью сильного магнитного поля. Как известно это не приводит к изменению кинетической энергии электронов, однако по законам электродинамики ускорение заряда, в том числе и перпендикулярное к направлению движения, объуславливает излучение электромагнитных волн.

Сторонники теории относительности представляют этот процесс следующим образом:

«Moving frame of elektron» – это система отсчёта электрона, где он находится в покое, она соответствует координатной системе (x, y, z). «Lab frame» – это система отсчёта лаборатории, т.е. экспериментаторов и ускорителя. В мысленном эксперименте Эйнштейна она соответствует движущейся координатной системе (ξ, η, ζ).

В системе отсчёта электрона (x, y, z) излучение должно быть симметричным – так считают учёные, исходя из принципа относительности – т.е. в противоположные стороны будет излучаться одинаковое количество энергии. В системе отсчёта самих экспериментаторов (ξ, η, ζ) излучение в направлении движения электрона должно быть интенсивнее, что наблюдается в действительности и вроде бы таким образом подтверждает Эйнштена. Но здесь есть одна маленькая заковырка, которая лишает всякой силы релятивисткий принцип относительности.

Потери энергии через излучение заставляют физиков прибегать к дополнительному ускорению электронов. Кроме того это делается циклически, если ускоритель, так называемое «накопительное кольцо» («Storage ring»), специально предназначен для производства синхотронного излучения. На рисунке внизу ускоряющий участок называется «Radio Frequency Accelerator Cavity».

С другой стороны ускорение автоматически означает увеличение скорости. Логически тогда можно предположить, что во время излучение происходит обратный процесс – уменьшение скорости, т.е. торможение.

Эйнштейн исходил из того, что тело после излучения световых вспышек в противоположные стороны сохраняет свою скорость:

«При этом тело остается в покое относительно системы (x, y, z).«

На практике же после излучения очередной порции синхотронного излучения электроны теряют скорость в лабораторной системе отсчёта, по Эйнштейну (ξ, η, ζ). Таким образом «относительно системы (x, y, z)» электроны испытывают ускорение в противоположном направлении к движению этой системы отсчёта, что означает, что они не остаются в покое, как это предпологал Эйнштейн, исходя из своего принципа относительности.

Был бы Эйнштейн прав, тогда участки дополнительного ускорения в накопительном кольце были бы не нужны. Один раз в синхротроне разогнанные электроны сохраняли бы свою скорость в накопительном кольце, так как энергия для излучения черпалась бы из массы электронов. Они излучали бы излучали, пока бы нерасходовали всю массу и исчезли. Так как они имеют заряд, то и он вместе с ними пропал бы, чем был бы нарушен закон сохранения заряда.

Суть: полный провал принципа относительности Эйнштейна в эксперименте!

Очевидно, что системы отсчёта движущехся электронов и покоющегося ускорителя не равнозначны и мысленные скачки между ними не приводят к адекватным результатам, соответствующим экспериментальным наблюдениям. В системе отсчёта движущехся электронов их излучение, возникающее в процессе ускорения, не может быть симметричным — как в системе отсчёта ускорителя так и там энергия излучения по направлению движения больше, чем в противоположном направлении. Система отсчёта ускорителя определяет реальную форму синхотронного излучения, которая отображается в других (наблюдательных) системах отсчета в том же виде.

sites.google.com

Знаменитая формула Эйнштейна — E = mc2 — впервые нашла свое подтверждение

Для этого потребовалось более ста лет и произошло это благодаря колоссальным усилиям французских, немецких и венгерских физиков.

21.11.2008 в 11:32, просмотров: 42972

«До сих пор эта формула оставалось гипотезой, – отмечается в пресс-релизе Национального центра научных исследований Франции. – И вот впервые она доказана».

Консорциум научных специалистов во главе с Лораном Леллюшем из французского Центра теоретической физики, используя ряд мировых суперкомпьютеров, произвел расчеты для оценки массы протонов и нейтронов, частиц атомного ядра.

В соответствии с традиционной моделью физики элементарных частиц, протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, известных как кварки, в свою очередь, причиной взаимодействия последних выступают глюоны.

Парадокс заключается в том, что масса глюонов равна нулю, а масса кварков составляет всего лишь пять процентов. Тогда где же недостающие 95 процентов? Ответ заключается в том, что «недостающая» масса происходит из энергии движения и взаимодействия кварков и глюонов.

Иными словами, энергия и масса – эквивалентны, как и предполагал Эйнштейн в своей теории относительности, изложенной в 1905 году. Формула E = mc2 показывает, что масса может быть преобразована в энергию, а энергия, в свою очередь, может быть преобразована в массу.

Показывающее, сколько энергии будет освобождено, если определенное количество массы преобразовать в энергию, это уравнение использовалось множество раз. Наиболее известно, что оно послужило вдохновляющей основой для создания атомного оружия.

Решить E=mc2 путем взвешивания субатомных частиц (это уравнение называется квантовой хромодинамикой) было весьма трудно, сообщает Mignews.

  • Самое интересное
  • Комментарии

Оставьте ваш комментарий

Популярно в соцсетях

© ЗАО «Редакция газеты «Московский Комсомолец» Электронное периодическое издание «MK.ru»

Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство Эл № ФС77-45245 Редакция — ЗАО «Редакция газеты «Московский Комсомолец». Адрес редакции: 125993, г. Москва, ул. 1905 года, д. 7, стр. 1. Телефон: +7(495)609-44-44, +7(495)609-44-33 , e-mail [email protected] Главный редактор и учредитель — П.Н. Гусев. Реклама третьих сторон

Все права на материалы, опубликованные на сайте www.mk.ru, принадлежат редакции и охраняются в соответствии с законодательством РФ.
Использование материалов, опубликованных на сайте www.mk.ru допускается только с письменного разрешения правообладателя и с обязательной прямой гиперссылкой на страницу, с которой материал заимствован. Гиперссылка должна размещаться непосредственно в тексте, воспроизводящем оригинальный материал mk.ru, до или после цитируемого блока.

Для читателей: в России признаны экстремистскими и запрещены организации «Национал-большевистская партия», «Свидетели Иеговы», «Армия воли народа», «Русский общенациональный союз», «Движение против нелегальной иммиграции», «Правый сектор», УНА-УНСО, УПА, «Тризуб им. Степана Бандеры», «Мизантропик дивижн», «Меджлис крымскотатарского народа», движение «Артподготовка», общероссийская политическая партия «Воля».
Признаны террористическими и запрещены: «Движение Талибан», «Имарат Кавказ», «Исламское государство» (ИГ, ИГИЛ), Джебхад-ан-Нусра, «АУМ Синрике», «Братья-мусульмане», «Аль-Каида в странах исламского Магриба».

www.mk.ru

Закон эйнштейна у mc2


Из специальной теории относительности вытекает, что масса и энергия являются разными проявлениями одного и того же – концепция, среднему уму незнакомая.
— Альберт Эйнштейн

Некоторые научные концепции настолько меняют мир и настолько глубоки, что практически каждый знает о них, даже если полностью и не понимает. Почему бы не поработать над этим вместе? Каждую неделю вы отправляете ваши вопросы и предложения, и на этой неделе я выбрал вопрос Марка Лиюва, который спрашивает:

Эйнштейн вывел уравнение E = mc 2 . Но единицы энергии, массы, времени, длины уже были известны до Эйнштейна. Так как же оно так красиво получается? Почему там нет какой-нибудь константы для длины или времени? Почему это не E = amc 2 , где a – какая-нибудь константа?

Если бы наша Вселенная не была устроена так, как сейчас, то всё могло бы быть по-другому. Давайте посмотрим, что я имею в виду.

С одной стороны, у нас имеются объекты с массой: от галактик, звёзд и планет до самых мелких молекул, атомов и фундаментальных частиц. Хотя они и крохотные, у каждой из компонент того, что известно нам под именем материи, имеется фундаментальное свойство массы, что означает, что даже если исключить его движение, даже если замедлить его до полной остановки, он всё равно будет оказывать влияние на все остальные объекты Вселенной.

Конкретно, он оказывает гравитационное притяжение на всё остальное во Вселенной, неважно, на каком расстоянии находится удалённый объект. Он притягивает всё к себе, испытывает притяжение ко всему остальному, а также обладает энергией, присущей самому его существованию.

Последнее утверждение контринтуитивно, поскольку об энергии, по крайней мере, в физике, говорят, как о возможности что-либо сделать – о возможности совершать работу. А что можно сделать, если ты просто сидишь на месте?

Перед тем, как ответить, давайте посмотрим на другую сторону монеты – вещи без массы.

С другой стороны, существуют вещи, не имеющие массы – например, свет. У этих частиц есть определённая энергия, и это легко понять, наблюдая их взаимодействие с другими вещами – при поглощении свет передаёт им свою энергию. Свет с достаточной энергией может разогревать материю, добавлять кинетическую энергию (и скорость), вышибать электроны на верхние энергетические уровни или вообще ионизировать, в зависимости от энергии.

Более того, количество энергии, содержащейся в безмассовой частице, определяется только её частотой и длиной волны, произведение которых всегда равняется скорости движения частицы: скорости света. Значит, у более длинных волн частоты меньше, и энергия меньше, а у коротких – частоты и энергия выше. Массивную частицу можно замедлить, а попытки отобрать энергию у безмассовой приведут лишь к удлинению её волны, а не к изменению скорости.

Памятуя о вышесказанном, подумаем, как масса-энергия может быть эквивалентной работе? Да, можно взять частицу материи и частицу антиматерии (электрон и позитрон), столкнуть их и получить безмассовые частицы (два фотона). Но почему энергии двух фотонов равны массам электрона и позитрона, умноженным на квадрат скорости света? Почему там нет другого множителя, почему уравнение точно приравнивает E и mc 2 ?

Что интересно, если верить СТО, уравнение просто обязано выглядеть, как E=mc 2 , без всяких отклонений. Поговорим о причинах этого. Для начала представьте, что у вас есть коробочка в космосе. Она неподвижна, и с двух сторон у неё зеркала, а внутри находится фотон, летящий к одному из зеркал.

Изначально коробочка не двигается, но поскольку фотоны обладают энергией (и импульсом), когда фотон сталкивается с зеркалом с одной стороны коробки и отскакивает, коробка начнёт движение в том направлении, в котором изначально двигался фотон. Когда фотон достигнет другой стороны, он отразится от зеркала с другой стороны, изменяя импульс коробки обратно до нуля. И он продолжит отражаться таким образом, в то время как коробка половину времени будет двигаться в одну сторону, а другую половину – оставаться неподвижной.

В среднем коробка будет двигаться и, следовательно, так как у неё есть масса, будет иметь определённую кинетическую энергию, благодаря энергии фотона. Но важно также помнить про импульс, количество движения объекта. Импульс фотонов связан с их энергией и длиной волны очень просто: чем короче волна и выше энергия, тем выше импульс.

Подумаем о том, что это значит, и для этого проведём ещё один эксперимент. Представьте, что происходит, когда изначально двигается только сам фотон. У него будет определённое количество энергии и импульс. Оба свойства должны сохраняться, поэтому в начальный момент энергия фотона определена его длиной волны, а у коробки есть только энергия покоя – какая бы она ни была – и фотон обладает всем импульсом системы, а у коробки импульс нулевой.

Затем фотон сталкивается с коробкой и временно поглощается. Импульс и энергия должны сохраняться – это основные законы сохранения Вселенной. Если фотон поглощён, то существует только один способ сохранить импульс – коробка должна двигаться с определённой скоростью в том же направлении, в котором двигался фотон.

Пока всё нормально. Только теперь мы можем спросить себя, какова энергия коробки. Получается, что если мы идём от нашей обычной формулы о кинетической энергии, KE = ½mv 2 , мы предположительно знаем массу коробки, и, исходя из понятия импульса, её скорость. Но если мы сравним энергию коробки с энергией фотона, которой он обладал до столкновения, мы увидим, что у коробки энергии недостаточно.

Проблема? Нет, это довольно просто решить. Энергия системы коробка/фотон равна массе покоя коробки плюс кинетической энергии коробки плюс энергии фотона. Когда коробка поглощает фотон, большая часть его энергии переходит в увеличение массы коробки. Когда коробка поглотила фотон, её масса меняется (увеличивается) по сравнению с той, что была до столкновения.

Когда коробка вновь испускает фотон в другом направлении, она получает ещё больший импульс и скорость (что компенсируется отрицательным импульсом фотона в обратном направлении), ещё больше кинетической энергии (и у фотона есть энергия), но теряет взамен часть массы покоя. Если всё подсчитать (есть три различных способа это сделать, а тут ещё и описание), можно обнаружить, что единственное преобразование массы, позволяющее сохранить энергию и импульс, будет E = mc 2 .

Если добавить любую константу, уравнение перестанет быть сбалансированным, и вы будете терять или приобретать энергию каждый раз при испускании или поглощении фотона. Обнаружив антиматерию в 1930-х, мы непосредственно увидели подтверждение того, что можно превратить энергию в массу и обратно, и результаты превращений точно совпадали с E = mc 2 , но именно мысленные эксперименты позволили вывести эту формулу за несколько десятилетий до наблюдений. Только поставив фотону в соответствие эффективную массу, эквивалентную m = E/c 2 , мы можем обеспечить сохранение энергии и импульса. И хотя мы говорим E = mc 2 , Эйнштейн впервые записал формулу по-другому, присвоив энергетически эквивалентную массу безмассовым частицам.

Так что, спасибо за прекрасный вопрос, Марк, и надеюсь, что этот мысленный эксперимент поможет тебе понять, почему нам нужна не только эквивалентность массы и энергии, но и почему в этом уравнении есть только одно возможное значение для «константы», которое поможет сохранить энергию и импульс – а этого требует наша Вселенная. Единственное уравнение, которое работает, это E = mc 2 . Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

m.habr.com

Новости
высоких технологий

Что на самом деле означает знаменитая формула Эйнштейна?

Уравнение E=mc² мелькает везде: от кепок до наклеек на бамперах. В 2008 году Мэрайя Кэри даже назвала так свой альбом. Но что, в сущности, означает знаменитое уравнение относительности, выведенное Альбертом Эйнштейном?

Для начала, E — это энергия, M — это масса, измерение количества вещества. Энергия и материя взаимозаменяемы. Кроме того, важно помнить, что во Вселенной есть установленное количество энергии и материи. Энергия постоянно перетекает в материю и обратно. Ничего не исчезает бесследно.

Теперь поговорим о c². Это часть уравнения, которая обозначает скорость света в квадрате. Получается, что энергия равна количеству массы, умноженной на скорость света в квадрате.

Почему нам нужно умножать материю на скорость света, чтобы получить энергию? Причина в том, что энергия, будь это световые волны или радиация, движется со скоростью света. Это 300 000 километров в секунду. Когда мы разбиваем атомы в ядерном реакторе или атомной бомбе, энергия вырывается со скоростью света.

Но почему скорость света в квадрате? Причина в том, что кинетическая энергия или энергия движения пропорциональна массе. Когда вы ускоряете объект, кинетическая энергия увеличивается на сумму скорости в квадрате. Вот отличный пример, с которым сталкивается любой водитель: если вы увеличите скорость в два раза, тормозной путь будет в четыре раза дольше, потому что тормозной путь равен квадрату скорости.

Скорость света в квадрате — колоссальное число, демонстрирующее, какое огромное количество энергии есть даже в небольшом количестве вещества. Возьмем 1 грамм воды — если вся масса конвертируется в чистую энергию по формуле E=mc², выйдет 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте. Вот почему небольшой кусочек урана или плутония может произвести суровый атомный взрыв.

Уравнение Эйнштейна открыло двери для многочисленных технологических достижений в разных сферах, от ядерной энергетики и ядерной медицины до «одомашнивания солнца». Не так давно мы писали, что NASA планирует оснастить небольшим термоядерным реактором каждый дом и автомобиль, только основан он будет не на энергии распада, а на энергии синтеза. Дело очень непростое, но только подумайте: небольшое количество вещества может обеспечить вас энергией до конца ваших дней. Эйнштейн был весьма незаурядным физиком, и многие склонны искать причину его гениальности в мозге.

Читайте подробнее о «сером веществе» автора теории относительности.

hi-news.ru

Смотрите так же:

  • Заявления на сочинение Заявление на итоговое сочинение - образец 2017 - 2018 г. Заявление на итоговое сочинение - образец 2017 - 2018 г. Порядок подачи заявления на участие в итоговом сочинении (изложении) Для участия в итоговом сочинении (изложении) участники […]
  • Правило пастбище Сенокосы и пастбища Что входит в понятие "пастбище" Луга и пастбища относятся к естественным кормовым угодьям. Термином "пастбище" называют кормовое угодье, которое используется для выпаса стад сельскохозяйственных животных. Луг или […]
  • Расходы на юридические услуги в исковом заявлении Расходы на представителя: взыскать нельзя отказать Средний размер судебных издержек по одному арбитражному спору составляет около 46 тыс. руб. При этом итоговая сумма обычно более чем в два раза ниже заявленной. В судах общей юрисдикции […]
  • Налог за 275 лошадиных сил Вопросы и ответы Скажите пожалуйста. В начале марта 2011 года приобрел автомобиль 280 л.с 2004 года выпуска. Не могу понять какой ежегодный налог меня ждет, скажите пожалуйста? В сомнение ввели разные информации по поводу "вступил новый […]
  • Постановление пленума верховного суда рф 2012 21 Постановление Пленума Верховного суда РФ № 21 от 18.10.2012 «О применении судами законодательства об ответственности за нарушения в области окружающей среды и природопользования» Согласно названного Постановления, под причинением вреда […]
  • Шпаклёвка под правило Штукатурка под правило Что такое штукатурка под «правило»? Почему цена на штукатурные работы бывает меньше 250р за м2? Штукатурное правило – это профессиональный инструмент при проведении черновых отделочных работ для снятия и подрезания […]

Обсуждение закрыто.