Эквівалентнасць масы і энергіі

*Гэты артыкул уключае апісанне тэрміна «энергія спакою».*

*Гэты артыкул уключае апісанне тэрміна «E=mc2»; гл. таксама .*
 у час аднаго з мерапрыемстваў Сусветнага года фізікі (2005)]]
**Эквівале́нтнасць ма́сы і эне́ргіі** — фізічная канцэпцыя тэорыі адноснасці, згодна з якою поўная энергія фізічнага аб'екта (фізічнай сістэмы, цела) роўная яго (яе) масе, дамножанай на размерны множнік квадрата хуткасці святла ў вакууме:
: E = mc^2,
дзе E — энергія аб'екта, m — яго маса, c — хуткасць святла ў вакууме, роўная .

У залежнасці ад таго, што разумеюць пад тэрмінамі «маса» і «энергія», дадзеная канцэпцыя можа быць вытлумачыць дваяка:
* з аднаго боку, канцэпцыя азначае, што маса цела (інварыянтная маса, т. зв. *маса спакою*) роўная (з дакладнасцю да пастаяннага множніка c²) энергіі, «заключанай у ім», г. зн. яго энергіі, вымеранай ці вылічанай у спадарожнай сістэме адліку (сістэме адліку спакою), так званай *энергіі спакою*, ці ў шырокім сэнсе унутранай энергіі гэтага цела, і да таго ж m з'яўляецца модулем 4-імпульсу. У дадатак, іменна m (а не m_{rel}) з'яўляецца адзіным скалярам, які не толькі характарызуе інертныя ўласцівасці цела пры малых хуткасцях, але і праз які гэтыя ўласцівасці можна дастаткова проста запісаць для любой скорасці руху цела.

І такім чынам, m — інварыянтная маса — фізічная велічыня, якая мае самастойнае і ў многім фундаментальнейшае значэнне.

У сучаснай тэарэтычнай фізіцы канцэпцыю эквівалентнасці масы і энергіі звычайна выкарыстоўваюць у першым сэнсе і ў канчатковым выніку аказваецца неапраўданым. Такім чынам, у цяперашні час тэрмін «рэлятывісцкая маса» ў прафесійнай літаратуры практычна не сустракаецца, а калі кажуць пра масу, маюць на ўвазе інварыянтную масу. У той жа час тэрмін «рэлятывісцкая маса» ўжываецца для якасных разважанняў у прыкладных пытаннях, а таксама ў адукацыйным працэсе і ў навукова-папулярнай літаратуры. Гэты тэрмін падкрэслівае павелічэнне інертных уласцівасцей рушачага цела разам с яго энергіяй, што само па сабе цалкам змястоўна.

У найбольш універсальнай форме прынцып быў сфармулёван упершыню Альбертам Эйнштэйнам у 1905 годзе, аднак уяўленні аб сувязі энергіі і інертных уласцівасцей цела развіваліся і ў больш ранніх працах іншых даследчыкаў.

У сучаснай культуры формула  з'яўляецца ледзь не самай вядомай з усіх фізічных формул, што абумоўліваецца яе сувяззю са страшнай магутнасцю ядзернай зброі. Акрамя таго, іменна гэта формула з'яўляецца сімвалам тэорыі адноснасці і шырока выкарыстоўваецца папулярызатарамі навукі:
: \ E^2 - \vec{p}^{\,2}c^2 = m^2c^4, \qquad \vec p = \frac{E\vec v}{c^2},
дзе E, \vec{p}, \vec{v}, m — энергія, імпульс, хуткасць і інварыянтная маса сістэмы ці часціцы, адпаведна, c — хуткасць святла ў вакууме. З гэтых выразаў відаць, што ў рэлятывісцкай механіцы, нават калі хуткасць і імпульс цела (масіўнага аб'екта) становяцца нулявымі, яго энергія застаецца ненулявою, застаючыся роўнаю некаторай велічыні, якая вызначаецца масай цела:
: E_0 = mc^2.
Гэта велічыня называецца энергіяй спакою, і гэты выраз устанаўлівае эквівалентнасць масы цела гэтай энергіі. На аснове гэтага факта Эйнштэйн зрабіў вывад, што маса цела з'яўляецца адною з форм энергіі.

Энергія і імпульс цела з'яўляюцца кампанентамі 4-вектара энергіі-імпульсу (чатырохімпульсу) (энергія — часавай, імпульс — прасторавымі) і адпаведным чынам пераўтвараюцца пры пераходзе з аднае сістэмы адліку ў другую, а маса цела з'яўляецца лорэнц-інварыянтам, астаючыся пры пераходзе ў іншыя сістэмы адліку нязменнай, і мае сэнс модуля вектара чатырохімпульсу.

Варта таксама адзначыць, што няглядзячы на тое, што энергія і імпульс часціц адытыўныя, г. зн. для сістэмы часціц маем:
:\ E = \sum_i E_i\,, \qquad \vec p = \sum_i \vec p_i\,,
маса часціц адытыўнаю не з'яўляецца,

Чатырохімпульс ровен здабытку інварыянтнай масы на 4-хуткасць цела.
: p^\mu = m \, U^\mu\!,
У спецыяльнай тэорыі адноснасці гэтыя суадносіны з'яўляюцца адпаведнікам класічнага азначэння імпульсу праз масу і хуткасць.

## Паняцце рэлятывісцкай масы 
Пасля таго, як Эйнштэйн прапанаваў прынцып эквівалентнасці масы і энергіі, стала відавочна, што паняцце масы можа вытлумачвацца дваяка. З аднаго боку, гэта інварыянтная маса, якая — іменна дзякуючы інварыянтасці — супадае з той масай, што фігуруе ў класічнай фізіцы, з другога — можна ўвесці так званую *рэлятывісцкую масу*, эквівалентную поўнай (уключаючы кінетычную) энергіі фізічнага аб'екта

Уведзеная такім чынам рэлятывісцкая маса з'яўляецца каэфіцыентам прапарцыянальнасці паміж трохмерным («класічным») імпульсам і хуткасцю цела

У працэсе стварэння тэорыі адноснасці абмяркоўваліся паняцці падоўжнай і папярочнай масы масіўнай часціцы (цела). Няхай сіла, што дзейнічае на цела, роўная скорасці змянення рэлятывісцкага імпульсу. Тады сувязь сілы \vec{F} і паскарэння \vec{a}=d\vec{v}/dt істотна змяняецца ў параўнанні з класічнаю механікаю:
: 
  \vec{F} = \frac{d\vec{p}}{dt} = \frac{m\vec{a}}{\sqrt{1-v^2/c^2}}+\frac{m\vec{v}\cdot(\vec{v}\vec{a})/c^2}{(1-v^2/c^2)^{3/2}}.

Калі хуткасць перпендыкулярная сіле, то
:\vec{F}=m\gamma\vec{a},
а калі паралельная, то
:\vec{F}=m\gamma^3\vec{a},
дзе \gamma=1/\sqrt{1-v^2/c^2} — рэлятывісцкі множнік. Таму m\gamma=m_{\mathrm{rel}} называюць папярочнаю масаю, а m\gamma^3 — падоўжнаю.

Сцвярджэнне, што маса залежыць ад хуткасці, увайшло ў многія вучэбныя курсы і дзякуючы сваёй парадаксальнасці стала шырока вядомым сярод неспецыялістаў. Аднак у сучаснай фізіцы пазбягаюць выкарыстоўваць тэрмін «рэлятывісцкая маса», ужываючы замест яго паняцце энергіі, а пад тэрмінам «маса» разумеюць інварыянтную масу (спакою). Сярод іншага, выдзяляюцца наступныя недахопы ўвядзення тэрміна «рэлятывісцкая маса» і ў навуковай літаратуры. Варта, праўда, адзначыць, што ў навуковых артыкулах паняцце рэлятывісцкай масы выкарыстоўваецца пераважна толькі пры якасных разважаннях як сінонім павелічэння інертнасці часціцы, рушачай з калясветлавою хуткасцю.

## Гравітацыйнае ўзаемадзеянне 
У класічнай фізіцы гравітацыйнае ўзаемадзеянне апісваецца законам сусветнага прыцягнення Ньютана, і яго велічыня вызначаецца гравітацыйнай масай цела, якая з высокай ступенню дакладнасці роўная па велічыні інертнай масе, пра якую ішла гаворка вышэй, што дазваляе казаць проста пра масу цела.

У рэлятывісцкай фізіцы гравітацыя падпарадкоўваецца законам агульнай тэорыі адноснасці, у аснове якой ляжыць прынцып эквівалентнасці, які заключаецца ў тым, што нельга адрозніць з'явы, якія адбываюцца лакальна ў гравітацыйным полі, ад аналагічных з'яў у неінерцыяльнай сістэме адліку, рушачай з паскарэннем, роўным паскарэнню свабоднага падзення ў гравітацыйным полі. Можна паказаць, што гэты прынцып эквівалентны сцвярджэнню аб роўнасці інертнай і гравітацыйнай мас.

У агульнай тэорыі адноснасці энергія іграе тую ж ролю, што і гравітацыйная маса ў класічнай тэорыі. Сапраўды, велічыня гравітацыйнага ўзаемадзеяння ў гэтай тэорыі вызначаецца так званым тэнзарам энергіі-імпульсу, які абагульняе паняцце энергіі.

У найпрасцейшым выпадку кропкавай часціцы ў цэнтральна-сіметрычным гравітацыйным полі аб'екта, маса якога намнога большая за масу часціцы, сіла, што дзейнічае на часціцу, вызначаецца выразам. З прыведзеных вышэй формул вынікае, што для такой часціцы справядлівы наступныя суадносіны:
: E = pc, \qquad v = c.
Такім чынам, часціца з нулявою масаю незалежна ад сваёй энергіі заўсёды рухаецца з хуткасцю святла. Для бязмасавых часціц увядзенне паняцця «рэлятывісцкай масы» асабліва недарэчнае, бо, напрыклад, пры наяўнасці сілы ў падоўжным напрамку хуткасць часціцы пастаянная, і паскарэнне, у выніку, роўнае нулю, што патрабуе бесканечнай па велічыні эфектыўнай масы цела. У той жа час, наяўнасць папярочнай сілы прыводзіць да змянення напрамку хуткасці, і, такім чынам, «папярочная маса» фатона мае канечную велічыню.

Гэтак жа бяссэнсава для фатона ўводзіць эфектыўную гравітацыйную масу. У выпадку цэнтральна-сіметрычнага поля, разгледжанага вышэй, для фатона, падаючага вертыкальна ўніз, яна будзе роўная E/c^2, а для фатона, што ляціць перпендыкулярна напрамку на гравітацыйны цэнтр, — 2E/c^2]]
Атрыманая А. Эйнштэйнам эквівалентнасць масы цела назапашанай у целе энергіі стала адным з галоўных практычна важных вынікаў спецыяльнай тэорыі адноснасці. Суадносіны E_0 = mc^2 паказалі, што ў рэчыве ўтрымліваюцца велізарныя (дзякуючы квадрату хуткасці святла) запасы энергіі, якія можна выкарыстоўваць у энергетыцы і ваенных тэхналогіях.

### Колькасныя суадносіны паміж масай і энергіяй 
У міжнароднай сістэме адзінак СІ адносіна энергіі і масы *E* / *m* выражаецца ў джоўлях на кілаграм, і яна лікава роўная квадрату значэння хуткасці святла *c* ў метрах у секунду:
: *E* / *m* = *c*² = (299 792 458 м/с)² =  (≈9,0 джоўляў на кілаграм).
Такім чынам, 1 грам масы эквівалентны наступным значэнням энергіі:
* 89,9 тэраджоўляў (89,9 ТДж)
* 25,0 мільёнаў кілават-гадзін (25 ГВт·г),
* 21,5 мільярдаў кілакалорый (≈21 Ткал),
* 21,5 кілатон у тратылавым эквіваленце (≈21 кт).
У ядзернай фізіцы часта прымяняецца значэнне адносіны энергіі і масы, выражанае ў мегаэлектронвольтах на атамную адзінку масы — 

### Прыклады ўзаемаператварэння энергіі спакою і кінетычнай энергіі 
Энергія спакою можа пераходзіць у кінетычную энергію часціц у выніку ядзерных і хімічных рэакцый, калі ў іх маса рэчыва, што ўступіла ў рэакцыю, большая за масу рэчыва, атрыманага ў выніку. Прыкладамі такіх рэакцый з'яўляюцца.

Лічыцца, што ўпершыню спроба звязаць масу і энергію была зроблена ў працы Дж. Дж. Томсана, якая з'явілася ў 1881 годзе.

Ідэя наяўнасці інерцыі ў электрамагнітнага поля прысутнічае таксама і ў працы О. Хэвісайда, выдадзенай у 1889 годзе. Знойдзеныя ў 1949 годзе чарнавікі яго рукапісу паказваюць, што недзе ў гэты ж час, разглядаючы задачу аб паглынанні і выпраменьванні святла, ён атрымлівае суадносіны паміж масай і энергіяй цела ў выглядзе E=mc^2.

У 1900 годзе А. Пуанкарэ апублікаваў працу, у якой прыйшоў к вываду, што святло як пераносчык энергіі павінна мець масу, вызначаную выразам E/v^2, дзе  — энергія святла,  — хуткасць пераносу энергіі.

[thumb|left|[Хендрык Антон Лорэнц адзначаў залежнасць масы цела ад яго хуткасці]]
У працах М. Абрахама (1902 год) і Х. Лорэнца (1904 год) было ўпершыню ўстаноўлена, што, увогуле кажучы, для рушачага цела нельга ўвесці адзін каэфіцыент прапарцыянальнасці паміж яго паскарэннем і дзеючай на яго сілай. Імі былі ўведзены паняцці падоўжнай і папярочнай мас, прымененыя для апісання дынамікі часціцы, рушачай з калясветлавой хуткасцю, з дапамогаю другога закону Ньютана. Так, Лорэнц у сваёй працы пісаў:

Эксперыментальна залежнасць інертных уласцівасцей цел ад іх хуткасці была паказана ў пачатку XX стагоддзя ў працах В. Кауфмана (1902 год) и  (1908 год).

У 1904—1905 гадах  у сваёй працы прыходзіць к вываду, што наяўнасць у поласці выпраменьвання праяўляецца ў тым ліку і так, нібы маса поласці павялічылася.

[thumb|[Альберт Эйнштэйн сфармуляваў прынцып эквівалентнасці энергіі і масы ў найбольш агульным выглядзе]]
У 1905 годзе з'яўляецца адразу цэлы шэраг асноватворных прац А. Эйнштэйна, у тым ліку і праца, прысвечаная аналізу залежнасці інертных уласцівасцей цела ад яго энергіі. Сярод іншага, пры разглядзе выпускання масіўным целам дзвюх «колькасцей святла» ў гэтай працы ўпершыню ўводзіцца паняцце энергіі нерухомага цела і робіцца наступны вывад:

У 1906 годзе Эйнштэйн упершыню гаворыць аб тым, што закон захавання масы з'яўляецца ўсяго толькі асобным выпадкам закону захавання энергіі.

У больш поўнай меры прынцып эквівалентнасці масы і энергіі быў сфармулёван Эйнштэйнам у працы 1907 года, у якой ён піша

Пад спрашчаючым дапушчэннем тут маецца на ўвазе выбар адвольнай пастаяннай у выразе для энергіі. У больш падрабязным артыкуле, які выйшаў у тым жа годзе. У гэтай працы Эйнштэйн прыпісаў фатону інертную і гравітацыйную масу, роўную E/c^2, і вывеў для велічыні адхілення светлавога праменя ў полі прыцягнення Сонца значэнне , што ў два разы менш за правільнае значэнне, атрыманае ім жа пазней на аснове развітай агульнай тэорыі адноснасці. Цікава, што тое ж самае палавіннае значэнне атрымаў  яшчэ ў 1804 годзе, але яго праца засталася незаўважанаю.

Эксперыментальна эквівалентнасць масы і энергіі была ўпершыню наглядна паказана ў 1933 годзе. У Парыжы Ірэн і Фрэдэрык Жаліё-Кюры зрабілі фотаздымак працэсу ператварэння кванта святла, пераносчыка энергіі, у дзве часціцы з ненулявою масаю. Прыблізна ў той жа час у Кембрыджы Джон Кокрафт і Эрнест Томас Сінтан Уолтан назіралі выдзяленне энергіі пры дзяленні атама на дзве часткі, сумарная маса якіх аказалася меншаю, чым маса зыходнага атама.

## Уплыў на культуру 
З моманту адкрыцця формула E=mc^2 стала адною з самых вядомых фізічных формул і з'яўляецца сімвалам тэорыі адноснасці. Нягледзячы на тое, што гістарычна формула была ўпершыню прапанавана не Альбертам Эйнштэйнам, цяпер яна звязваецца выключна з яго іменем, напрыклад, іменна гэта формула была выкарыстана ў якасці назвы выпушчанай у  тэлевізійнай біяграфіі вядомага вучонага. Вядомасці формулы садзейнічала шырока выкарыстанае папулярызатарамі навукі контрінтуітыўнае заключэнне, што маса цела павялічваецца з павелічэннем яго хуткасці. Акрамя таго, з гэтай жа формулай звязваецца магутнасць ядзернай энергіі.

Файл:Einstein sculpture at Questacon in April 2008.jpg|Бюст Эйнштэйна ў аўстралійскім 
Файл:Relativity4 Walk of Ideas Berlin.JPG|«Тэорыя адноснасці», адна з шасці скульптур у ансамблі  у Берліне

## Гл. таксама 
* Энергія сувязі
* Дэфект масы
* Прынцып эквівалентнасці сіл гравітацыі і інерцыі
* Прынцып адноснасці Эйнштэйна

## Зноскі 
## Літаратура 
* 

* 

* 

## Спасылкі 
* 
* 
* 

Катэгорыя:Альберт Эйнштэйн
Катэгорыя:Спецыяльная тэорыя адноснасці
Катэгорыя:Маса
Катэгорыя:Энергія
Катэгорыя:Фізічныя законы