Масса и энергия
Ещё до начала этого тысячелетия как энергии, так и массе тела приписывали полностью самостоятельное существование. Тело может поглощать энергию и снова отдавать её. Энергия может миллионы лет покоиться в земле, скрытая в пластах каменного угля или нефти, и может в виде излучения пролетать пустое пространство со скоростью света. Форму энергии можно изменить: из калорий делают киловатт-часы, из киловатт-часов — килограмм-метры. С энергией обращаются как с товаром. Одно лишь невозможно: создать энергию из ничего или полностью уничтожить её.
Но если этот закон сохранения энергии понимать поверхностно, то мы оказались бы перед очень трудной проблемой. Попробуйте объяснить, откуда берётся та энергия, которую излучают звезды! Уже по меньшей мере миллиард лет Солнце светит с неослабевающей силой. Об этом свидетельствуют находимые в древних осадочных горных породах остатки живых существ, которые могли существовать только при постоянном излучении Солнца.
Исследуя процесс распада радиоактивных элементов и судя по количеству продуктов распада, которые накапливаются в содержащих их породах, можно рассчитать, что с момента возникновения твёрдой земной коры должно было пройти 3-5 млрд. лет. Так как Земля не могла существовать раньше Солнца, оно должно иметь по меньшей мере тот же возраст.
Но если, зная температуру и теплоёмкость Солнца, рассчитать скорость его остывания, то, судя по колоссальной интенсивности его излучения, оно уже давно должно было погаснуть.
Для объяснения большой продолжительности его существования пытались привлечь потоки падающих на Солнце метеорных тел или энергию тяготения, освобождающуюся при сжатии Солнца, но всё это оказалось напрасным.
Правильное объяснение можно получить только на основе теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, энергия и масса не существуют раздельно, а связаны друг с другом фундаментальным законом:
E = mc2
Отсюда видно, что любому количеству энергии W соответствует определённая масса m. Её величину получают из формулы E = mc2. Достаточно точные весы показали бы нам, что при нагревании тела, т. е. при подводе к нему тепловой энергии, его масса увеличивается (рис. 1).
Рис. 1. Равные количества воды имеют при различных температурах различные массы.
Угол отклонения указателя весов сильно преувеличен.
Они показали бы также, что быстро движущееся тело тяжелее, чем покоящееся, так как приросту кинетической энергии также соответствует определённая масса. К сожалению, нет таких весов, которые могли бы зарегистрировать это увеличение массы, так как при обычных обстоятельствах оно крайне незначительно (вспомните, что это увеличение равно избытку энергии, делённому на квадрат скорости света!).
Соответственно масса тела должна уменьшаться, если тело отдаёт энергию. При этом, согласно закону сохранения энергии, тело как будто не может отдать больше тепла или механической энергии, чем оно перед этим получило.
Но закон Эйнштейна E = mc2 открывает возможность взять у тела значительно больше энергии, чем ему было придано первоначально. Эта энергия получается за счёт массы, из которой тело состоит. Сказанное можно проиллюстрировать очень простым расчётом: 1 г массы соответствует количеству энергии = 25 млн. квт х ч.
Этот грамм исчез бы тогда без остатка и превратился бы в одну из известных нам форм энергии. Но эта энергия опять-таки имела бы массу в 1 г, так что, строго говоря, ничто бы не исчезло совсем. Материя только изменила свою внешнюю форму. Это уже перестало быть простой фантазией или гипотезой, а превратилось в осязаемую реальность.
Рис. 2. Принцип работы атомной электростанции
На атомных электростанциях основной процесс состоит в непрерывном превращении небольшого количества химического элемента урана с выделением огромного количества энергии (рис. 2). Но об этом процессе мы не будем много говорить и упомянули о нем только потому, что процесс генерирования энергии в Солнце и звездах тоже удовлетворяет закону Эйнштейна. Правда, «технология» здесь несколько иная и в качестве горючего используется не дорогой уран, а дешёвый водород.