Может ли масса превращаться в энергию - pismo.netnado.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Может ли масса превращаться в энергию - страница №1/1

Может ли масса превращаться в энергию?
Г.А.Розман

С.В.Панькова

Псковский государственный педагогический университет

180760,г.Псков, пл.Ленина 2

E-mail: rozman@psk.sovintel.ru
В статье проводится физико-философский анализ фразы, взятой в качестве заголовка темы обсуждения. Показывается, что ни с физической, ни тем более с философской точек зрения эта фраза не имеет смысла и не отражает содержания специальной теории относительности, на которую обычно ссылаются при высказывании подобной мысли.
С понятиями «масса» и «энергия» мы знакомимся на ранних этапах изучения физики. Но до сих пор в их «взаимоотношениях» допускают странные утверждения, ссылаясь при этом на специальную теорию относительности, в которой между этими величинами для покоящегося тела установлена фундаментальная связь:

, (1)

где индекс (0) поставлен потому, что только у покоящегося тела между массой и энергией имеется такая фундаментальная связь: всякое вещественное тело, имеющее массу m только из факта своего существования обладает в покое энергией . Справедливо и обратное утверждение: у всякого вещественного тела есть энергия покоя , связанной с массой этого тела по формуле (1).

Этот результат специальной теории относительности (СТО) имеет огромное как физическое, так и философское содержание: между двумя фундаментальными физическими характеристиками вещественных тел (их массой и энергией покоя) имеется однозначная связь. В классической физике подобного утверждения не существовало. Ниже мы более подробно проанализируем соотношение (1). Покажем, как из него «делали» (и, к сожалению, продолжают «делать») выводы, которые в нем не содержаться и которые совершенно искажают содержание этого соотношения. И это несмотря на то, что Специальной теории относительности в 2005 г. исполнилось 100 лет. Казалось бы, что за этот промежуток времени все содержание специальной теории относительности должно проясниться. Увы…

Приведем несколько утверждений, в которых сосредоточились все неверные толкования соотношения (1). Эти высказывания можно найти во многих научно-популярных изданиях и даже в учебной литературе. Поэтому мы не указываем конкретно ту публикацию, откуда заимствованы цитаты.



  1. «Она (т.е. формула (1)-прим. авторов статьи) раскрывает существующую в природе возможность взаимных превращений энергии и массы».

  2. «Разность масс (сумма масс продуктов химической реакции меньше исходной массы горючего и окислителя – прим. авторов статьи)) превращается в кинетическую (тепловую) энергию продуктов реакции. Таким путем в энергию переходит лишь очень малая часть массы».

  3. «Если сталкивается частица с античастицей (скажем, электрон с позитроном), то они превращаются в два фотона. Так как фотон –безмассовая частица, то в этом случае вся исходная масса целиком переходит в кинетическую энергию фотонов».

  4. «Свойство массы превращаться в энергию не было известно в классической , нерелятивистской физике».

  5. «Масса эквивалентна энергии».

Чтобы разобраться , что ошибочно в приведенных фразах, рассмотрим сначала сами понятия «масса» и «энергия» с этимологической и физической точек зрения. Слово «масса» имеет древние корни и восходит к библейскому слову «маца», означающее нечто осязаемое, количественно определяемое через порцию специфической пищи . Иначе обстоит дело со словом «энергия» (это греческое слово, в переводе означает «действие», «деятельность»). Оно было введено Гельмгольцем в середине ХIX века при установлении великого закона Природы - закона сохранения и превращения энергии. Из работ Роберта Майера, Джемса Джоуля и самого Германа Гельмгольца следовало, что в природе не существует такой субстанции как «теплород». Именно Г. Гельмгольц вводит понятие «внутренняя энергия» и устанавливает два независимых способа ее изменения: или путем энергопередачи, или путем совершения работы. Именно этот вывод содержится в так называемом 1 начале термодинамики. По сути дела, это и есть первоначальная формулировка закона сохранения и превращения энергии. Впоследствии закон приобрел большую общность, будучи распространенным на все виды энергии.

Уже эти этимологические экскурсии показывают принципиальное различие рассматриваемых понятий, определяющих различные качества вещественных предметов. А то, что между различными свойствами (качествами) физических тел может существовать связь- в этом никто не сомневается (ни в до релятивистской физике, ни после создания СТО). Когда же речь заходит о формуле (1), то в ней говорится о фундаментальной, пропорциональной связи между массой вещественного тела и его энергией покоя. И эту фундаментальную связь действительно определила только СТО.

До сих пор наука не установила происхождение массы элементарных частиц (а, значит, и вещественных тел, состоящих из элементарных частиц). Но ясно, что это понятие не может служить мерой «количества вещества» (материи), как определял Ньютон. Такое определение подверглось критике как с научной, так и с педагогической точки зрения. Действительно, о каком количестве вещества можно говорить, рассматривая массы электрона и протона?

Масса есть физическая величина, характеризующая определенные свойства вещественных тел. Такими свойствами являются инертность, гравитационное



взаимодействие и, наконец, взаимосвязь с энергией покоя тела. Такое многообразное толкование того, что выражает «масса» обусловлено, очевидно, неполнотой нашего понимания свойств объективного Мира.

Не «легче» обстоит дело и с понятием «энергия». Да, энергией обладают не только тела, имеющее массу, энергией обладают и безмассовые частицы (фотоны). Энергия есть характеристика всех видов материи (в то время как масса определяет свойства только вещественных тел). Научные понятия и определения не произвольны. В них, как и в законах, отражается объективная реальность. С понятием «энергия» мы встречаемся при установлении закона сохранения и превращения энергии. Из которого непосредственно следует, что, обладая энергией, тело может совершить работу. Именно поэтому наиболее общее и понятное определение энергии состоит в том, что она определяет способность материального тела совершить работу» (обратим внимание, что не случайно и энергия и работа измеряются в одних и тех единицах- в СИ в джоулях).

Из приведенного анализа (достаточного для рассмотрения вопроса, поставленного в заглавие статьи) однозначно следует, что масса и энергия, хотя и могут иметь между собой связь и количественную пропорциональность, есть разные физические характеристики физических тел. Поэтому бессмысленно говорить о взаимопревращении этих характеристик друг в друга (как это характеристики могут превращаться друг в друга?).

После такого решения не только физических и методических , но и философских проблем, перейдем к анализу тех цитат, которые выше занумерованы под №№ 1- 5. Это необходимо сделать, так как идеи, вложенные в эти цитаты, встречаются часто и в трудах вполне уважаемых авторов. Может быть это «просто» жаргон в кругу ученых? Однако он не допустим в учебной и научно-популярной литературе, так как неподготовленный ум студентов, учащихся школ и любознательных читателей принимает напечатанный текст как «истину в последней инстанции».

В цитате 1. говорится «о возможности взаимных превращений энергии и массы». Трудно объяснить, как можно увидеть в формуле (1) указание на возможность взаимопревращений массы и энергии. Что бы сказал автор такой фразы, глядя на школьную формулу для кинетической энергии , или на формулу для потенциальной энергии двух взаимодействующих зарядов, которые формально подобны формуле (1)?

Соотношение (1) содержит только одно (и это видно без предположения о «возможности») : между двумя физическими характеристиками вещественного тела (подчеркиваем - вещественного тела) его массой и энергией покоя имеется фундаментальная связь: если тело обладает массой, то у него есть энергия покоя. Справедливо и обратное утверждение. О других следствиях из формулы (1) мы будем говорить ниже, при анализе других цитат.

Объединим рассмотрение утверждений 2. и 3., так как они по существу идентичны и различаются лишь с количественной стороны при «превращении массы в энергию» (либо при химической реакции горения, либо при взаимодействии элементарных частиц, в частности, при аннигиляции частицы и античастицы).

Чтобы разобраться в ложности утверждений 2 и 3, обратимся к важному выводу специальной теории относительности: в СТО нет закона сохранения массы. И масса частиц, вступающих во взаимодействие не равна сумме масс возникающих частиц. Именно при этом возникает то, что называется «дефектом массы», которой сопоставляется энергия связи при синтезе частиц, или энергия высвобождения, проявляющаяся в кинетической энергии разлетающихся «осколков» (мы не рассматриваем подробно теорию СТО, так как это не входит в задачу авторов статьи) .

Остановимся более подробно на утверждении 3. Так как в СТО нет закона сохранения массы, то и не следует требовать выполнения этого закона для обеих частей реакции аннигиляции:

. (2)

В реакции (2) проявляют себя многие законы сохранения микромира. И в первую очередь, законы сохранения импульса и энергии. Из-за выполнения первого из упомянутых законов и возникают два (и более ) фотонов, безмассовых частиц.

До реакции энергия покоя частиц (в системе отсчета «Центр масс») была равна:

, при .

На основании закона сохранения энергии суммарная энергия покоя электрона и позитрона: должна равняться энергии двух фотонов



.

Поэтому ни о каком превращении массы в энергию в реакции (2) не может происходить. В этой реакции мы встречаемся с интересным физическим явлением: материя из формы вещества превращается в полевую материю. Каждая из этих форм материи реальна, материальна. Но у каждой формы материи имеются свои специфические свойства: у вещественных частиц есть масса, у полевых частиц- массы нет. Полевой вид материи (квантами которого, в частности для электромагнитного поля, являются фотоны) обладает свойством суперпозиции, такого свойства у вещественных тел нет и т.д. Нам кажется, что рассуждения о «превращении массы в энергию» связаны с абсолютизацией свойств вещества и распространения их на все виды материи. Кстати, фраза «масса превращается в энергию» появилась в конце XIX века в связи с толкованием опытов Кауфмана, когда «вещество» и «материя» были синонимами. Лишь в 1905 году А. Эйнштейн узаконит существование второго вида материи – электромагнитного поля.

По сути дела, об ошибочности утверждения 4 сказано в предыдущем абзаце: ни в классической, ни в релятивистской физике нет у массы свойства «превращаться в энергию».

Цитата 5 утверждается теми, кто плохо знает значение слов русского словаря. Слово «эквивалентность» равносильно слову «равноценность». Из предыдущего анализа видно, что масса и энергия – это две самостоятельные физические характеристики, определяющие разные свойства материальных тел. Они могут быть пропорциональны друг другу (о чем и говорит формула (1)), но не заменяют друг друга при описании физических явлений. Ссылки на то, что иногда (в физике элементарных частиц и ядерных реакций) массу выражают в тех же единицах, что и энергию, не серьезны. Когда нам потребуется знать количественное значение массы элементарной частицы, нам все равно придется энергетическое выражение массы пересчитать в обычные единицы ее измерения, используя ту же формулу (1).В общей теории относительности А. Эйнштейна постулируется «принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс». Обратим внимание, что этот принцип утверждает эквивалентность однородных физических величин, а не разнородных, каковыми являются масса и энергия.

К 100-летнему юбилею Специальной теории относительности физики отказались от мифической «релятивистской массы». Не будем ждать следующего юбилея, чтобы понять, что в СТО нет вывода о возможности «массы превращаться в энергию». Еще раз напомним о важности устранения извращений СТО:

Ложное толкование выводов СТО не допустимо не только в учебной, но и в научно-популярной литературе, так как неподготовленный ум студентов, учащихся школ и любознательных читателей принимает напечатанный текст как «истину в последней инстанции».

Название статьи Г.А.Розмана и С.В.Паньковой «Может ли масса превращаться в энергию?» на английском языке:


Can mass turn into energy?

Аннотация статьи Г.А.Розмана и С.В.Паньковой «Может ли масса превращаться в энергию?» на английском языке



The article presents a physics-philosophical analysis the phrase
"Can mass turn into energy?". It is shown that the phrase itself is meaningless from the physical as well as philosophical points of view. In particular it is shown that the common association of the expression with the special theory of relativity is in fact based on misunderstanding.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------…………………………………………………………………………………………………….


Данные авторов статьи «Может ли масса превращаться в энергию?»
Розман Герман Аронович – доктор физико-математических наук,

почетный работник высшего специального образования Российской федерации,

почетный профессор Псковского государственного педагогического университета.

Место работы: 180760, г. Псков, пл. Ленина,2, ПГПУ, кафедра физики.

Дом. адрес: 180016, г. Псков, Рижский пр., д.29/31, кв.100

Дом. тел: 46-08-04

E-mail: rozman@psk.sovintel.ru

Панькова Светлана Витиславовна кандидат физико-математических

наук, старший преподаватель.

Место работы: 180760, г. Псков, пл. Ленина, 2, ПГПУ, кафедра физики.

Дом. адрес: 180024, г. Псков, Рижский пр. ,д.91, кв.54

Дом. тел.: 12-84- 43

E-mail: psvvit@mail.ru