Формула Эйнштейна e=mc2: что она значит и как её применять?

Содержание

1. Что означает E=mc²?
2. Практический пример эквивалентности
3. Другой пример эквивалентности
4. Каково объяснение формулы эквивалентности?
5. Каким образом Эйнштейн вывел знаменитое соотношение?

Формула эквивалентности массы и энергии хорошо известна. Это уравнение E=mc² , т.е. энергия (E) равна массе (m), умноженной на скорость света (c) в квадрате. Опубликована эта формула была 30 июня 1905 года в немецком научном журнале «Анналы физики» малоизвестным к тому времени экспертом швейцарского патентного бюро Альбертом Эйнштейном в статье «Об электродинамике движущихся тел». Эта статья считается самой цитируемой к настоящему времени.

Что означает E=mc²?

Несмотря на то, что теории Эйнштейна уже более ста лет, и формула известна многим, объяснить значение формулы берутся не все. Упрощая, формула гласит, что масса и энергия являются взаимозаменяемыми величинами. Другими словами, следуя теории относительности, масса – это форма энергии.

Отношение эквивалентности между массой и энергией представляет собой основу ядерной физики и специальной теории относительности Эйнштейна (СТО). Это отношение получило несколько экспериментальных подтверждений.

Практический пример эквивалентности

Две элементарные частицы приближаются одна к другой, и на определенном расстоянии между ними начинают действовать силы сильного ядерного взаимодействия. Частицы притягиваются друг к другу, пока не соединятся и не образуют атомное ядро.

Однако после объединения масса ядра оказывается меньше суммарной массы двух частиц до их взаимодействия, т.е. частицы потеряли часть своей первоначальной массы. Куда делась пропавшая масса? Недостающая масса частиц превратилась в энергию, которая удерживает частицы вместе.

Эта эквивалентность между массой и энергией объясняется уравнением Эйнштейна. Связь между массой и энергией бивалентна – масса может превращаться в энергию, а энергия может превращаться в массу.

Другой пример эквивалентности

Другой пример эквивалентности между массой и энергией наблюдается в процессах ядерного деления (когда атомное ядро распадается на два или более легких ядра) и радиоактивного распада (физического процесса в нестабильном радиоактивном ядре).

При делении и распаде радиоактивных веществ масса переходит из одной формы в другую (например, один химический элемент превращается в другой химический элемент), и во внешний мир высвобождается некоторое количество чистой электромагнитной энергии в виде фотонов (квантов электромагнитного излучения).

Каково объяснение формулы эквивалентности?

В теории относительности масса является относительным понятием. Каждому телу присуща масса покоя (m₀) и релятивистская масса (m). С приведением тела в движение и ростом его скорости растет и  его релятивистская масса. Теоретически, когда тело разгоняется до скорости света, его релятивистская масса становится бесконечной, что физически неосуществимо.

Эта масса, конечно, не берется из ниоткуда. Дополнительная масса тела, движущегося с околосветовой скоростью, возникает из энергии, которая и преобразуется в массу. Объяснение очень простое – этот физический процесс также объясняется уравнением Эйнштейна E=mc ².

Примечание
Скорость света – это предельная скорость, возможная во Вселенной, которую нельзя превысить. Ничто не способно двигаться быстрее фотона.

Каким образом Эйнштейн вывел знаменитое соотношение?

При выводе соотношения Эйнштейн воспользовался опубликованными в 1904 году преобразованиями Лоренца, и воспользовался ими для преобразования координат и времени в СТО. Преобразования Лоренца были выведены как преобразования, относительно которых уравнения электродинамики Максвелла, описывающие электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах, оказываются инвариантными.

Применив преобразования Лоренца к вычислению кинетической энергии тела, Эйнштейн получил сумму mc², не зависящую от скорости. Это есть энергия покоящегося тела, то есть энергия самой массы, что позволило обобщить: энергия и масса – это одно и то же, но в разном обличье. Самые впечатляющие доказательства этой формулы – ядерное оружие, атомные электростанции и протекающие на Солнце термоядерные реакции.

Ведь поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, из этого следует, что если скорость света уже выражается огромным численным значением (300.000 км/с), ее квадрат становится немыслимо большим. Следовательно, в крошечном количестве материи, при условии высвобождения ее полной энергии, заключена огромная мощь.

Что касается подтверждений теории относительности, то в физике элементарных частиц (или физике высоких энергий) теория относительности проверяется и подтверждается ежегодно тысячи раз, поскольку при планировании экспериментов необходимо применять релятивистские законы сохранения.

Компания «РосДиплом» на протяжении 20 лет занимается студенческими работами и предлагает помощь студентам во всех областях и темах. Наши преимущества: огромный опыт работы, лучшие авторы, собранные со всех уголков России, гарантии успешной сдачи и оптимальной цены, а также индивидуальный подход к каждому клиенту.