Tento článek obsahuje popis termínu „energie odpočinku“
Tento článek obsahuje popis termínu "E=mc 2 "; viz také další významy .
Ekvivalence hmotnosti a energie je fyzikální koncept teorie relativity , podle kterého se celková energie fyzického objektu ( fyzického systému , těla ) v klidu rovná jeho (její) hmotnosti , vynásobené rozměrovým faktorem čtverec rychlosti světla ve vakuu :
, | (jeden) |
kde je energie objektu, je jeho hmotnost, je rychlost světla ve vakuu, rovná se 299 792 458 m/s .
V závislosti na tom, co se rozumí pod pojmem „hmotnost“ a „energie“, lze tento pojem interpretovat dvěma způsoby:
1) na jedné straně pojem znamená, že hmotnost tělesa ( invariantní hmotnost , také nazývaná klidová hmotnost ) [1] se rovná (až do konstantního faktoru c²) [2] energii „v něm obsažené“ , tedy jeho energie, měřená nebo vypočtená v pohyblivé vztažné soustavě (klidová vztažná soustava), tzv. klidová energie , nebo v širokém slova smyslu vnitřní energie tohoto tělesa [3] ,
, | (2) |
kde je klidová energie těla, je jeho klidová hmotnost;
2) na druhé straně lze tvrdit, že jakýkoli druh energie (ne nutně vnitřní) fyzického objektu (ne nutně těla) odpovídá určité hmotnosti; například pro jakýkoli pohybující se objekt byl zaveden koncept relativistické hmoty , která se rovná (až do faktoru c²) celkové energii tohoto objektu (včetně kinetické ) [4] ,
, | (3) |
kde je celková energie objektu a jeho relativistická hmotnost.
První výklad není jen zvláštním případem druhého. Přestože zbývající energie je speciálním případem energie a je prakticky stejná v případě nulové nebo nízké rychlosti těla, má fyzikální obsah, který přesahuje rámec druhého výkladu: tato veličina je skalár (tj. , vyjádřený jediným číslem) invariantní (invariantní při změně vztažné soustavy) faktor v definici 4-vektoru energie-hybnosti , podobně jako Newtonova hmotnost a je jejím přímým zobecněním [5] , a kromě toho je modul hybnosti 4. Navíc je to (a ne ) jediný skalár, který nejen charakterizuje setrvačné vlastnosti tělesa při nízkých rychlostech, ale také pomocí kterého lze tyto vlastnosti celkem jednoduše zapsat pro jakoukoli rychlost tělesa [6] .
Invariantní hmotnost je tedy fyzikální veličina , která má nezávislou a v mnoha ohledech zásadnější hodnotu [7] .
V moderní teoretické fyzice se pojem ekvivalence hmoty a energie používá v prvním smyslu [8] . Hlavním důvodem, proč je připisování hmotnosti jakémukoli druhu energie považováno za čistě terminologicky nešťastné, a proto se ve standardní vědecké terminologii prakticky nepoužívá, je naprostá synonymita pojmů hmoty a energie, která z toho vyplývá. Navíc nepřesné použití takového přístupu může být matoucí [9] a nakonec se ukáže jako neopodstatněné. Pojem „relativistická masa“ se tedy v současné době v odborné literatuře prakticky nevyskytuje, a když se mluví o mase, myslí se invariantní hmotnost. Pojem „relativistická masa“ se přitom používá pro kvalitativní uvažování v aplikovaných věcech, stejně jako ve vzdělávacím procesu a v populárně naučné literatuře. Tento termín zdůrazňuje zvýšení inertních vlastností pohybujícího se tělesa spolu s jeho energií, což je samo o sobě docela smysluplné [10] .
Ve své nejuniverzálnější podobě tento princip poprvé formuloval Albert Einstein v roce 1905 , nicméně myšlenky o vztahu mezi energií a inerciálními vlastnostmi tělesa byly vyvinuty i v dřívějších pracích jiných badatelů.
V moderní kultuře je vzorec možná nejslavnější ze všech fyzikálních vzorců, což je způsobeno jeho spojením s úžasnou silou atomových zbraní . Navíc právě tento vzorec je symbolem teorie relativity a je hojně využíván popularizátory vědy [11] .
Historicky byl princip ekvivalence hmotnosti a energie poprvé formulován ve své konečné podobě při konstrukci speciální teorie relativity Albertem Einsteinem . Ukázal, že pro volně se pohybující částici, stejně jako volné těleso a obecně jakýkoli uzavřený systém částic jsou splněny následující vztahy [12] :
, | (1.1) |
kde , , , jsou energie , hybnost , rychlost a neměnná hmotnost systému nebo částice, v tomto pořadí, je rychlost světla ve vakuu . Z těchto výrazů je vidět, že v relativistické mechanice , i když rychlost a hybnost tělesa (hmotného objektu) zmizí, jeho energie nezmizí [13] , zůstává rovna určité hodnotě určené hmotností tělesa:
. | (1.2) |
Tato hodnota se nazývá klidová energie [14] a tento výraz určuje ekvivalenci tělesné hmoty k této energii. Na základě této skutečnosti Einstein došel k závěru, že hmotnost tělesa je jednou z forem energie [3] a že se tak zákony zachování hmoty a energie spojují do jednoho zákona zachování [15] .
Energie a hybnost těla jsou součástí 4-vektoru hybnosti energie (čtyřhybnosti) [16] (energie je časová, hybnost je prostorová) a při přechodu z jedné vztažné soustavy do druhé se vhodně transformují a hmotnost tělesa je Lorentzův invariant , zbývající na přechodu do jiných referenčních systémů je konstanta a má význam modulu vektoru čtyř hybnosti.
Navzdory skutečnosti, že energie a hybnost částic jsou aditivní [17] , to znamená, že pro systém částic máme:
(1.3) |
hmotnost částic není aditivní [12] , to znamená, že hmotnost systému částic v obecném případě není rovna součtu hmotností jeho částic.
Energie (neinvariantní, aditivní, časová složka čtyřhybnosti) a hmotnost (invariantní, neaditivní modul čtyřhybnosti) jsou dvě různé fyzikální veličiny [7] .
Ekvivalence invariantní hmotnosti a klidové energie znamená, že v pohybující se vztažné soustavě, ve které je volné těleso v klidu, je jeho energie (až faktor ) rovna jeho invariantní hmotnosti [7] [18] .
Čtyřimpuls se rovná součinu invariantní hmotnosti a čtyřrychlosti tělesa.
, | (1.4) |
Tento poměr by měl být považován za analogický ve speciální teorii relativity ke klasické definici hybnosti z hlediska hmotnosti a rychlosti.
Poté, co Einstein navrhl princip ekvivalence hmotnosti a energie, bylo zřejmé, že pojem hmotnosti lze interpretovat dvěma způsoby. Na jedné straně se jedná o invariantní hmotnost, která se právě díky invariantnosti shoduje s hmotností, která se objevuje v klasické fyzice , na druhé straně lze zavést tzv. relativistickou hmotnost , která je ekvivalentem celkové ( včetně kinetické) energie fyzického objektu [4] :
, | (2.1) |
kde je relativistická hmotnost, je celková energie objektu.
U masivního předmětu (těla) jsou tyto dvě hmotnosti spojeny vztahem:
, | (2.2) |
kde je invariantní ("klasická") hmotnost, je rychlost těla.
resp.
. | (2.3) |
Energie a relativistická hmotnost jsou stejnou fyzikální veličinou (neinvariantní, aditivní, časová složka čtyřhybnosti) [7] .
Ekvivalence relativistické hmotnosti a energie znamená, že ve všech vztažných soustavách je energie fyzického objektu (až do faktoru ) rovna jeho relativistické hmotnosti [7] [19] .
Takto zavedená relativistická hmotnost je koeficient úměrnosti mezi trojrozměrnou („klasickou“) hybností a rychlostí tělesa [4] :
, | (2.4) |
Podobný vztah platí v klasické fyzice pro invariantní hmotnost, která je také uváděna jako argument ve prospěch zavedení konceptu relativistické hmotnosti. To později vedlo k tezi, že hmotnost tělesa závisí na rychlosti jeho pohybu [20] .
V procesu tvorby teorie relativity se probíraly pojmy podélné a příčné hmotnosti masivní částice (tělesa). Nechť je síla působící na těleso rovna rychlosti změny relativistické hybnosti. Pak se vztah mezi silou a zrychlením výrazně změní ve srovnání s klasickou mechanikou:
Je-li rychlost kolmá na sílu, pak a je-li rovnoběžná, pak kde je relativistický faktor . Proto se nazývá příčná hmota a - podélná.
Tvrzení, že hmotnost závisí na rychlosti, bylo zahrnuto do mnoha školicích kurzů a díky své paradoxní povaze se stalo široce známým mezi laiky. V moderní fyzice se však vyhýbají používání termínu „relativistická hmotnost“, místo toho používají pojem energie a pod pojmem „hmotnost“ chápou invariantní hmotnost (klidu). Zejména jsou zdůrazněny následující nevýhody zavedení termínu „relativistická hmotnost“ [8] :
Navzdory těmto nedostatkům se koncept relativistické hmotnosti používá jak ve vzdělávací [21] , tak ve vědecké literatuře. Ve vědeckých článcích se pojem relativistické hmotnosti používá z větší části pouze v kvalitativním uvažování jako synonymum pro zvýšení setrvačnosti částice pohybující se rychlostí blízkou světla.
V klasické fyzice je gravitační interakce popsána Newtonovým zákonem univerzální gravitace a její hodnota je určena gravitační hmotností tělesa [22] , která se s vysokou mírou přesnosti velikostí rovná setrvačné hmotnosti , který byl probrán výše, což nám umožňuje mluvit jednoduše o hmotnosti tělesa [23] .
V relativistické fyzice se gravitace řídí zákony obecné relativity , která je založena na principu ekvivalence , který spočívá v nerozlišitelnosti jevů vyskytujících se lokálně v gravitačním poli od podobných jevů v neinerciální vztažné soustavě pohybující se se zrychlením rovným ke zrychlení volného pádu v gravitačním poli. Lze ukázat, že tento princip je ekvivalentní tvrzení o rovnosti setrvačných a gravitačních hmot [24] .
V obecné teorii relativity hraje energie v klasické teorii stejnou roli jako gravitační hmotnost. Ve skutečnosti je velikost gravitační interakce v této teorii určena takzvaným tenzorem energie-hybnosti , což je zobecnění pojmu energie [25] .
V nejjednodušším případě bodové částice v centrálně symetrickém gravitačním poli objektu, jehož hmotnost je mnohem větší než hmotnost částice, je síla působící na částici určena výrazem [8] :
kde G je gravitační konstanta , M je hmotnost těžkého předmětu, E je celková energie částice, v je rychlost částice, je vektor poloměru tažený od středu těžkého předmětu k místu částice. Tento výraz ukazuje hlavní rys gravitační interakce v relativistickém případě ve srovnání s klasickou fyzikou: závisí nejen na hmotnosti částice, ale také na velikosti a směru její rychlosti. Zejména poslední okolnost neumožňuje zavést jednoznačným způsobem nějakou efektivní gravitační relativistickou hmotnost, která by gravitační zákon redukovala na klasickou formu [8] .
Důležitým limitujícím případem je případ částice, jejíž hmotnost je nulová. Příkladem takové částice je foton – částice-nosič elektromagnetické interakce [26] . Z výše uvedených vzorců vyplývá, že pro takovou částici platí následující vztahy:
Částice s nulovou hmotností se tedy bez ohledu na její energii vždy pohybuje rychlostí světla. Pro bezhmotné částice nemá zavedení pojmu „relativistická hmota“ žádný smysl, protože například při působení síly v podélném směru je rychlost částice konstantní a zrychlení tedy se rovná nule, což vyžaduje nekonečnou efektivní hmotnost tělesa. Přítomnost příčné síly zároveň vede ke změně směru rychlosti a v důsledku toho má „příčná hmotnost“ fotonu konečnou hodnotu.
Podobně je nesmyslné, aby foton zaváděl efektivní gravitační hmotnost. V případě výše uvažovaného středově symetrického pole bude pro foton padající svisle dolů roven a pro foton letící kolmo ke směru ke gravitačnímu středu bude [8] .
Ekvivalence hmotnosti tělesa k energii uložené v tělese, získaná A. Einsteinem, se stala jedním z hlavních prakticky důležitých výsledků speciální teorie relativity. Poměr ukázal, že látka obsahuje obrovské (díky druhé mocnině rychlosti světla) energetické zásoby využitelné v energetice a vojenských technologiích [28] .
V mezinárodní soustavě jednotek SI je poměr energie a hmotnosti vyjádřen v joulech na kilogram a číselně se rovná druhé mocnině hodnoty rychlosti světla v metrech za sekundu :
= 89 875 517 873 681 764 J/kg (≈9,0⋅1016 J /kg).1 gram hmotnosti tedy odpovídá následujícím energetickým hodnotám:
V jaderné fyzice se často používá hodnota poměru energie a hmotnosti, vyjádřená v megaelektronvoltech na jednotku atomové hmotnosti - ≈931,494 MeV / amu.
Klidová energie se může v důsledku jaderných a chemických reakcí přeměnit na kinetickou energii částic , pokud je v nich hmotnost látky, která vstoupila do reakce, větší než hmotnost látky, která vznikla. Příklady takových reakcí jsou [8] :
Tato reakce uvolňuje asi 35,6 MJ tepelné energie na metr krychlový metanu, což je asi 10 −10 jeho klidové energie. Při chemických reakcích je tedy přeměna klidové energie na kinetickou mnohem nižší než u jaderných. V praxi lze tento příspěvek ke změně hmotnosti zreagovaných látek ve většině případů zanedbat, protože obvykle leží mimo meze měření.
V praktických aplikacích se přeměna klidové energie na energii záření zřídka vyskytuje se 100% účinností. Teoreticky by dokonalou přeměnou byla srážka hmoty s antihmotou , ale ve většině případů místo záření vznikají vedlejší produkty a v důsledku toho se na energii záření přemění jen velmi malé množství klidové energie.
Existují také reverzní procesy, které zvyšují klidovou energii, a tím i hmotnost. Například, když je těleso zahříváno, jeho vnitřní energie se zvyšuje , což má za následek nárůst tělesné hmotnosti [29] . Dalším příkladem je srážka částic. V takových reakcích se mohou zrodit nové částice, jejichž hmotnosti jsou výrazně větší než původní. „Zdrojem“ hmoty takových částic je kinetická energie srážky.
Koncept hmoty jako funkce rychlosti a vztahu mezi hmotou a energií se začal formovat ještě před příchodem speciální teorie relativity. Zejména při pokusech uvést Maxwellovy rovnice do souladu s rovnicemi klasické mechaniky byly některé myšlenky předloženy v dílech Heinricha Schramma [30] (1872), N. A. Umova (1874), J. J. Thomsona (1881), O. Heaviside (1889), R. Searle, M. Abraham , H. Lorenz a A. Poincaré [11] . Pouze pro A. Einsteina je však tato závislost univerzální, nespojená s éterem a neomezená elektrodynamikou [31] .
Předpokládá se, že první pokus o spojení hmoty a energie byl učiněn v práci J. J. Thomsona , která se objevila v roce 1881 [8] . Thomson ve své práci zavádí pojem elektromagnetické hmoty a pojmenovává příspěvek k setrvačné hmotnosti nabitého tělesa elektromagnetickým polem vytvořeným tímto tělesem [32] .
Myšlenka přítomnosti setrvačnosti v elektromagnetickém poli je přítomna také v práci O. Heaviside , publikované v roce 1889 [33] . Návrhy jeho rukopisu objevené v roce 1949 naznačují, že přibližně ve stejné době, s ohledem na problém absorpce a emise světla, získal vztah mezi hmotností a energií tělesa ve tvaru [34] [35] .
V roce 1900 publikoval A. Poincaré práci, ve které došel k závěru, že světlo jako nosič energie musí mít hmotnost definovanou výrazem kde E je energie přenesená světlem, v je přenosová rychlost [36] .
V pracích M. Abrahama ( 1902 ) a H. Lorenze ( 1904 ) bylo poprvé zjištěno, že obecně řečeno, pro pohybující se těleso není možné zavést jediný koeficient úměrnosti mezi jeho zrychlením a silou, která na něj působí. . Zavedli koncepty podélných a příčných hmotností používané k popisu dynamiky částice pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla pomocí druhého Newtonova zákona [37] [38] . Tak, Lorentz napsal ve své práci [39] :
V důsledku toho se v procesech, ve kterých dochází ke zrychlení ve směru pohybu, elektron při zrychlení ve směru kolmém na pohyb chová, jako by měl hmotnost a, jako by měl hmotnost Veličiny , a proto je vhodné dávat názvy " podélné“ a „příčné“ elektromagnetické hmoty.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] V jevech, ve kterých dochází ke zrychlení ve směru pohybu, se tedy elektron chová, jako by měl hmotnost , ty, ve kterých je zrychlení kolmé k dráze, jako by hmotnost byla . a smět -co-být-já-než-službyExperimentálně byla závislost inerciálních vlastností těles na jejich rychlosti prokázána na počátku 20. století v pracích V. Kaufmana ( 1902 ) [40] a A. Bucherera 1908 ) [41] .
V letech 1904-1905 došel F. Gazenorl ve své práci k závěru, že přítomnost záření v dutině se projevuje mimo jiné tak, jako by se hmota dutiny zvětšila [42] [43] .
V roce 1905 se najednou objevila řada zásadních prací A. Einsteina , včetně práce věnované rozboru závislosti inertních vlastností tělesa na jeho energii [44] . Zejména při zvažování emise dvou "množství světla" masivním tělesem tento článek poprvé zavádí pojem energie tělesa v klidu a vyvozuje následující závěr [45] :
Hmotnost tělesa je mírou energetického obsahu tohoto tělesa; změní-li se energie o hodnotu L , změní se hmotnost odpovídajícím způsobem o hodnotu L / 9 × 10 20 a zde se energie měří v ergech a hmotnost v gramech ... Pokud teorie odpovídá skutečnosti, pak záření přenáší setrvačnost mezi vyzařujícím a pohlcujícím tělesem
Původní text (německy)[ zobrazitskrýt] Die Masse eines Körpers ist ein Maß für dessen Energieinhalt; ändert sich die Energie um L , tak ändert sich die Masse in demselben Sinne um L /9.10 20 wenn die Energie in Erg und die Masse in Grammen gemessen wird… KorpernV roce 1906 Einstein poprvé říká, že zákon zachování hmoty je jen speciálním případem zákona zachování energie [46] .
V úplnější míře princip ekvivalence hmoty a energie formuloval Einstein v roce 1907 [47] , ve kterém píše
…zjednodušující předpoklad ε 0 je zároveň vyjádřením principu ekvivalence hmotnosti a energie…
Původní text (německy)[ zobrazitskrýt] …daß die vereinfachende Festsetzung ε 0 zugleich der Ausdruck des Prinzipes der Äquivalenz von Masse und Energie ist…Zjednodušující předpoklad zde znamená volbu libovolné konstanty ve výrazu pro energii. V podrobnějším článku publikovaném ve stejném roce [3] Einstein poznamenává, že energie je také měřítkem gravitační interakce těles.
V roce 1911 Einstein publikoval svou práci o gravitačním účinku hmotných těles na světlo [48] . V této práci přiřazuje setrvačnou a gravitační hmotnost rovnou fotonu a pro velikost výchylky světelného paprsku v gravitačním poli Slunce je odvozena hodnota 0,83 obloukových sekund , což je dvakrát méně než správnou hodnotu, kterou získal později na základě rozvinuté obecné teorie relativity [49] . Zajímavé je, že stejnou poloviční hodnotu získal J. von Soldner již v roce 1804 , ale jeho práce zůstala bez povšimnutí [50] .
Experimentálně byla ekvivalence hmoty a energie poprvé prokázána v roce 1933 . V Paříži Irene a Frédéric Joliot-Curieovi vyfotografovali přeměnu kvanta světla nesoucího energii na dvě částice s nenulovou hmotností. Přibližně ve stejnou dobu v Cambridge John Cockcroft a Ernest Thomas Sinton Walton pozorovali uvolňování energie, když se atom rozdělil na dvě části, jejichž celková hmotnost se ukázala být menší než hmotnost původního atomu [51] .
Od svého objevu se vzorec stal jedním z nejznámějších fyzikálních vzorců a je symbolem teorie relativity . Navzdory tomu, že historicky vzorec poprvé nenavrhl Albert Einstein, nyní je spojen výhradně s jeho jménem, například byl tento vzorec použit jako název televizní biografie slavného vědce publikované v roce 2005 [52] . Popularita vzorce byla usnadněna kontraintuitivním závěrem široce používaným popularizátory vědy, že hmotnost tělesa roste s jeho rychlostí. Se stejným vzorcem je navíc spojena síla atomové energie [11] . V roce 1946 tedy obálka časopisu Time zobrazovala Einsteina na pozadí houby jaderného výbuchu se vzorcem [53] [54] .
Busta Einsteina v australském vědeckém a technologickém centru Questacon
Teorie relativity, jedna ze šesti soch v souboru Walk of Ideas v Berlíně