. Из этого уравнения следует, что даже
неподвижная частица (когда =0) обладает энергией Е
0
= m
0
с
2
, эту энергию называют энергией покоя (или
собственной энергией).
Итак, универсальная зависимость полной энергии частицы от ее массы: Е = mс
2
. Это
фундаментальный закон природы – закон взаимосвязи массы и энергии. Согласно этому закону масса,
находящаяся в покое, обладает огромным запасом энергии и любое изменение массы Δm сопровождается
изменением полной энергии частицы ΔE=c
2
Δm.
Например, 1кг речного песка должен содержать 1(3,0∙10
8
м/c)
2
=9∙10
16
Дж энергии. Это вдвое больше
еженедельного потребления энергии в США. Однако большая часть этой
энергии недоступна, так как закон сохранения материи требует, чтобы общее число барионов (так называются
элементарные частицы –нейтроны и протоны) в любой замкнутой системе оставалось постоянным. Отсюда
следует, что суммарная масса барионов не меняется и, соответственно, она не может быть преобразована в
энергию.
Но внутри атомных ядер нейтроны и протоны кроме энергии покоя обладают большой энергией взаи -
модействия друг с другом. В ряде таких процессов как синтез и деление ядер, часть этой потенциальной
энергии взаимодействия может превращаться в добавочную кинетическую энергию, получаемых в реакциях,
частиц. Это превращение и служит источником энергии ядерных реакторов и атомных бомб.
Правильность соотношения Эйнштейна можно доказать на примере распада свободного нейтрона на
протон, электрон и нейтрино (с нулевой массой покоя): n → p + e
-
+ ν. При этом суммарная кинетическая
энергия конечных продуктов равна 1,25∙10
-13
Дж. Масса покоя нейтрона превышает суммарную массу протона
и электрона на 13,9∙10
-31
кг. Этому уменьшению массы должна соответствовать энергия ΔE=c
2
Δm=(13,9∙10
-31
)
(3,0∙10
8
)
2
=1,25∙10
-15
Дж. Она совпадает с наблюдаемой кинетической энергией продуктов распада.
В релятивистской механике не соблюдается закон сохранения массы покоя, но выполняется закон
сохранения энергии: полная энергия замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением
времени.
6.7. Общая теория относительности. @
Спустя несколько лет после опубликования специальной теории относительности, Эйнштейном была
разработана и окончательно сформулирована в 1915 г. общая теория относительности, которая представляет
собой современную физическую теорию пространства, времени и тяготения.
Главным предметом общей теории относительности является гравитационное взаимодействие, или
тяготение. В законе всемирного тяготения Ньютона подразумевается, что сила тяготения действует мгновенно.
Такое утверждение противоречит одному из основных принципов теории относительности, а именно: ни
энергия, ни сигнал не могут распространяться быстрее скорости света. Таким образом, Эйнштейн столкнулся с
проблемой релятивистской теории тяготения. Для решения этой проблемы необходимо было также ответить на
вопрос: различаются ли гравитационная масса (входящая в закон Всемирного тяготения) и инертная масса
(входящая во второй закон Ньютона)? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Вся совокупность
опытных фактов указывает на то, что инертная и гравитационная массы тождественны. Известно, что силы
инерции аналогичны силам тяготения: находясь внутри закрытой кабины, никакими опытами нельзя ус-
тановить, чем вызвано действие на тело силы mg – тем ли, что кабина движется с ускорением g, либо тем, что
неподвижная кабина находится вблизи поверхности Земли. Вышесказанное представляет собой так называемый
принцип эквивалентности: поле тяготения по своему проявлению тождественно ускоряющейся системе
отсчета. Это утверждение и было положено Эйнштейном в основу общей теории относительности.
В своей теории Эйнштейн получил, что свойства пространства и времени связаны более
сложными соотношениями, чем соотношения Лоренца. Вид этих связей зависит от распределения
материи в пространстве, часто образно говорят, что материя искривляет пространство и время. Если
материи нет на больших расстояниях от точки наблюдения или искривление пространства-времени мало, то
можно с удовлетворительной точностью использовать соотношения Лоренца.
Явление гравитации (притяжение тел имеющих массу) Эйнштейн объяснил тем, что массивные
тела так искривляют пространство, что естественное движение других тел по инерции происходит по тем
же траекториям, как если бы существовали силы притяжения. Таким образом, Эйнштейн решил проблему
совпадения гравитационной и инертной массы путем отказа от использования понятия сил гравитации.
Следствия, полученные из общей теории относительности (теории гравитации), предсказали наличие
новых физических явлений вблизи массивных тел: изменение хода времени; изменение траекторий других тел,
не объясняемое в классической механике; отклонение лучей света; изменение частоты света; необратимое
притяжение всех форм материи к достаточно массивным звездам и др. Все эти явления были обнаружены:
изменение хода часов наблюдали при полете самолета вокруг Земли; траектория движения самой близкой к
Солнцу планеты –Меркурия объясняется только этой теорией, отклонение лучей света наблюдается для лучей,
идущих от звезд к нам вблизи Солнца; изменение частоты или длины волны света также обнаружено, этот