Связь массы и энергии

Это наблюдение навело Эйнштейна на мысль, что массу тела можно выразить проще, чем по формуле (15.1), если сказать, что масса равна полному содержанию энергии в теле, деленному на с². Если (15.11) помножить на с², получается

mc²=m₀с²+¹/₂m₀v²+... . (15.12)

Здесь левая часть дает полную энергию тела, а в последнем члене справа мы узнаем обычную кинетическую энергию. Эйнштейн осмыслил первый член справа (очень большое по­стоянное число т₀с²) как часть полной энергии тела, а именно как его внутреннюю энергию, или «энергию покоя».

К каким следствиям мы придем, если вслед за Эйнштейном предположим, что энергия тела всегда равна тс²? Тогда мы сможем вывести формулу (15.1) зависимости массы от скорости, ту самую, которую до сих пор мы принимали на веру. Пусть тело сперва покоится, обладая энергией т₀с². Затем мы при­кладываем к телу силу, которая сдвигает его с места и постав­ляет ему кинетическую энергию; раз энергия примется воз­растать, то начнет расти и масса (это все заложено в первона­чальном предположении). Пока сила действует, энергия и масса продолжают расти. Мы уже видели (см. гл. 13), что быстрота роста энергии со временем равна произведению силы на скорость

de/dt=f•v. (15.13)

Кроме того, F=d(mv)/dt [см. гл. 9, уравнение (9.1)]. Связав все это с определением Е и подставив в (15.13), получим

 

Мы хотим решить это уравнение относительно m. Для этого помножим обе части на 2m. Уравнение обратится в

 

Теперь нам нужно избавиться от производных, т. е. проин­тегрировать обе части равенства. В величине (2m) dm/dt можно узнать производную по времени от m², а в (2mv)•d(mv)/dt— производную по времени от (mv)². Значит, (15.15) совпадает с

 

Когда производные двух величин равны, то сами величины могут отличаться не больше чем на константу С. Это позво­ляет написать

m²с²=m²v²+C. (15.17)

Определим теперь константу С явно. Так как уравнение (15.17) должно выполняться при любых скоростях, то можно взять v=0 и обозначить в этом случае массу через m₀. Подстановка этих чисел в (15.17) дает

m²₀c²=0+С.

Это значение С теперь можно подставить в уравнение (15.17). Оно принимает вид

m²c²=m2v2+m²₀c². (15.18)

Разделим на с² и перенесем члены с m в левую часть

m²(1-v²/c²)=m²₀,

откуда

 

 

 

А это и есть формула (15.1), т. е. как раз то, что необходимо, чтобы в уравнении (15.12) было соответствие между массой и энергией.

В обычных условиях изменения в энергии приводят к очень малым изменениям в массе: почти никогда не удается из дан­ного количества вещества извлечь много энергии; но в атомной бомбе с энергией взрыва, эквивалентной 20 000 тонн трини­тротолуола, весь пепел, осевший после взрыва, на 1 г легче первоначального количества расщепляющегося материала. Это потому, что выделилась энергия, которая имела массу 1 г, в согласии с формулой DE=D(mc²). Вывод об эквивалент­ности массы и энергии прекрасно подтвердился в опытах по аннигиляции материи — превращению вещества в энергию. Электрон с позитроном могут взаимодействовать в покое, имея каждый массу покоя m₀. При сближении они исчезают, а вместо них излучаются два g-луча, каждый опять с энергией т₀с². Этот опыт прямо сообщает нам о величине энергии, свя­занной с существованием массы покоя у частицы.