энергия-это свойство чего?

Question

Ольга · Accepted Answer

МАТЕРИЯ И ЭНЕРГИЯ

Еще одним околонаучным мифом, возникшим в результате развития физики и неожиданно распространившимся в середине XX века, был миф о превращении материи в энергию.

К числу фундаментальных достижений теории относительности Эйнштейна принадлежит открытие так называемого принципа эквивалентности массы и энергии, ставшего основой современной атомной физики. Согласно принципу эквивалентности полное количество энергии, содержащейся в некотором количестве вещества, равно произведению массы этого вещества на квадрат скорости света.

Из формулы Эйнштейна, в частности, следует, что полная энергия, заключенная всего лишь в одном килограмме топлива, могла бы заменить непрерывную работу современной крупной гидроэлектростанции на протяжении целого года.

Но если полная энергия какого-либо материального объекта пропорциональна его массе, то из этого следует, что расход энергии должен быть связан с уменьшением массы этого объекта. Подсчеты показывают, например, что при остывании одной тонны воды от 100 градусов Цельсия до 0 градусов Цельсия ее масса уменьшается на 0,0000047 миллиграмма.

Аналогичное явление наблюдается и при химических реакциях, протекающих с выделением тепла. Так, при реакции соединения 2 граммов водорода и 16 граммов кислорода, в результате которой образуется вода, выделяется 68 тысяч калорий. В результате масса воды оказывается на три миллиардных доли грамма меньше суммы веществ, вступивших в эту реакцию.

Подобный же «дефект массы» возникает и при ядерных реакциях, например при образовании двух ядер атомов гелия в результате объединения протона — ядра атома водорода и ядра атома лития. Масса протона в так называемых массовых единицах составляет 1,00812, масса ядра лития — 7,01822, а ядра гелия — 4,00390. уложив два первых числа, мы получим 8,02634 массовых единиц. А общая масса двух ядер атомов гелия составляет 8,00780. Таким образом, налицо дефект массы, равный 0,01854 массовой единицы, соответствующий выделению определенного количества энергии.

Именно это обстоятельство и открывает возможность использования энергии ядерного синтеза, т. е. энергии, которая выделяется при слиянии ядер атомов легких химических элементов в ядра более тяжелых. Такова, в частности, природа энергии, выделяющейся при термоядерных реакциях.

Нечто похожее происходит и при реакции деления ядер атомов тяжелых химических элементов, например урана. В этом случае общая масса «осколков» оказывается меньше, чем масса разделившегося ядра. И на этот раз часть массы «исчезает», а взамен, в соответствии с формулой Эйнштейна, выделяется некоторое количество энергии.

Таковы факты, факты, всесторонне проверенные опытом, подтвержденные практикой, факты, открытие и осмысление которых вызвало к жизни атомную энергетику и привело человечество на порог овладения управляемыми термоядерными реакциями. Но те же самые факты породили и представление о том, что в процессе ядерных реакций некоторая часть массы будто бы превращается в энергию.

Вообще говоря, для человека, не слишком глубоко знакомого с физикой, подобное заключение может оказаться вполне правдоподобным, более того, само собой разумеющимся. В самом деле, в левой части формулы Эйнштейна стоит выражение, обозначающее величину энергии. А в правой, как мы уже знаем, — произведение массы на квадрат скорости света. Поскольку скорость света в пустоте — величина постоянная, то количество энергии, содержащейся в веществе, определяется исключительно величиной массы. И чем больше «дефект массы» в ядерных реакциях, тем больше выделяется энергии. «Исчезает» масса, появляется энергия.А так как никаких других изменяющихся величин, кроме массы и энергии, в формуле Эйнштейна нет и между ее левой и правой частями стоит знак равенства, то и напрашивается вывод — масса превращается в энергию!..

Прежде чем разобраться в том, в какой мере обоснованно подобное заключение, попытаемся выяснить, куда оно ведет. С точки зрения классической физики масса - это количество материи, заключенной в данном теле. И хотя, как мы это скоро увидим, с точки зрения теорий относительности это не так, в обыденном сознании, которое формируется прежде всего в результате осмысления явлений, подчиняющихся именно законам классической физики, масса ассоциируется с материей. Следовательно, если масса превращается в энергию, то это означает не что иное, как превращение в энергию самой материи. А так как энергия не обладает ни массой, ни энергией, ни каким-либо другим свойством, характерным для материи, то выходит, что материя просто исчезает. А раз так то получается, что закон сохранения материи вовсе не является всеобщим законом природы — он может нарушаться. Но если возможно исчезновение материи, то возможно и ее возникновение из ничего. Творение!..

Не правда ли, все это весьма напоминают ту ситуацию с «исчезновением» материи, которая была порождена революцией в физике на рубеже XIX и XX столетий и которую исчерпывающе проанализировал В. И. Ленин.

Однако и это новое «исчезновение материи», точно так же как и предыдущее, оказалось типичным околонаучным мифом, совершенно не соответствующим действительности. Вывод о превращении массы в энергию получился в результате произвольного манипулирования физическими терминами. Что такое энергия? Это свойство материи. С другой стороны, масса также является одним из свойств материи. Но одно свойство какого-либо объекта или предмета не может переходить в другое свойство. Скажем, к числу свойств такого предмета нашей одежды, как свитер, относятся его цвет и вид пряжи, из которой он связан. Но цвет не может превратиться в вид пряжи. Точно так же и масса какого-либо объекта не может переходить в энергию.

Почему же в таком случае образуется «дефект массы» при ядерных реакциях и какова его связь с выделяющейся при таких реакциях энергией?

Напомним об еще одном фундаментальном выводе специальной теории относительности, согласно которому масса любого тела зависит от характера его движения. С увеличением скорости масса того или иного объекта Озрастает. Чем выше скорость движущегося тела, тем больше его масса. И если при обычных скоростях эта «прибавка» массы весьма незначительна, то при скоростях, близких к скорости света, — релятивистских скоростях, она становится весьма ощутимой. В принципе, масса, скажем, протона — ядра атома водорода при таких скоростях может превзойти массу Земли, Солнца, нашей звездной системы Галактики.

Таким образом, необходимо различать «массу покоя» и «массу движения», или, как ее называют физики, «релятивистскую массу». Существуют объекты, у которых масса покоя вовсе отсутствует, — фотоны, а возможно, и нейтрино. Такие частицы всегда мчатся со скоростью, равной скорости света.

А теперь вернемся к реакции синтеза ядер атомов лития и водорода, о которой шла речь выше и в результате которой образуются ядра атомов гелия — альфа-частиц. Как уже говорилось, общая масса продуктов этой реакции несколько меньше, чем общая масса вступающих в нее частиц. Но все дело в том, что при таком подсчете принимается во внимание «масса покоя» ядер атомов гелия. Между тем образовавшиеся альфа-частицы не покоятся, а разлетаются со скоростью 20 400 километров в секунду. Следовательно, их действительная, «релятивистская масса» несколько больше «массы покоя». Подсчет показывает, что соответствующее такой скорости увеличение массы каждого ядра атома гелия составляет 0,00927 массовой единицы. А для других альфа-частиц — 0,01854, т.е. полностью покрывает дефицит, возникающий в ходе рассматриваемой нами реакции.

Следовательно, с точки зрения теории относительности закона сохранения «массы покоя» не существует. В природе действует более общий закон сохранения «релятивистской массы», который выполняется при любых ядерных взаимодействиях. При этом энергия не может существовать сама по себе: энергия всегда Должна иметь какого-либо «материального носителя».

Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия представляет собой либо кинетическую энергию образующихся в процессе этих реакций вещественных частиц, либо энергию различных излучений, в которые переходит некоторая часть вещества. Эти излучения являются одной из форм существования материи, «порции» которой — кванты или фотоны - обладают «релятивистской массой». Таким образом, внутренняя энергия вступающих в реакцию частиц переходит в энергию движения возникающих материальных образований.

В частности, энергия, выделяющаяся при делр ядер атомов урана и некоторых других тяжелых элементов, представляет собой энергию разлетающихся осколков и других образующихся при этом частиц. Именно эта энергия и превращается в тепловую энергию в атомных реакторах, а затем приводит в действие силовые установки.

Как же понимать в таком случае формулу Эйнштейна как объяснить тот факт, что в ней фактически поставлю знак равенства между энергией и массой? Дело в том что в физике все математические формулы выражают только количественные отношения между реальными физическими величинами, и ничего больше.

Именно с этой точки зрения и следует воспринимать равенство в формуле Эйнштейна. Оно говорит только о том, что в данном материальном процессе происходит переход материи из одного состояния в другое. Или, точнее, одно состояние материальной системы, характеризующееся определенными массой и энергией, переходит в другое состояние с иными массой и энергией. Это значит что знак равенства в формуле Эйнштейна следует понимать лишь как знак количественного, а отнюдь не качественного тождества. По этой причине в современной физике формулу Эйнштейна чаще всего называют «соотношением эквивалентности массы и энергии».

Следовательно, несмотря на формулу Эйнштейна и возникновение «дефекта массы» в ядерных реакциях, никакого исчезновения массы, а тем более материи или превращения их в энергию в действительности не происходит.

Таким образом, представление о превращении массы в энергию оказалось не чем иным, как типичным околонаучным мифом, основанным на поверхностном понимав нии и истолковании зависимостей и явлений, обнаруженных современной физикой.

Кстати, религиозные теоретики не прочь были ухватиться за неверную интерпретацию формулы Эйнштейна ставившую под сомнение незыблемость закона сохранив ния материи. Они увидели в этом возможность подведения своеобразного «научного фундамента» под идею творения материи — характерный пример того, как неправильное ненаучное, одностороннее истолкование тех или иных фактов и явлений не только порождает представления, близкие к религиозным, но и открывает возможность защиты религии «под флагом науки».

История мифа о превращении массы в энергию поучительна и в еще одном отношении. Как правило, околонаучные мифы довольно быстро прекращают свое существование, как только получают достаточно убедительное, действительно научное объяснение те обстоятельства, на почве которых они возникли. В этом отношении околонаучные мифы гораздо более уязвимы, чем миф религиозный. Религиозная система взглядов на мир — это замкнутая логическая система, которую никакими логическими аргументами или научными данными опровергнуть, в принципе, невозможно. Ее ложность доказывается только всей совокупностью научных представлений, всей многовековой практикой людей, всем колоссальным историческим опытом человечества.