Дао физики

Как уже говорилось выше, самая характерная особенность релятивистского подхода заключается в том, что он выявляет связи между такими фундаментальными понятиями, которые до этого представлялись ученым совершенно самостоятельными. Один из наиболее важных примеров — это эквивалентность понятий энергии и массы, сформулированная Эйнштейном в виде знаменитого уравнения «Е=mc^2». Для того, чтобы уяснить фундаментальное значение их эквивалентности, рассмотрим сначала понятия массы и энергии по отдельности.

Энергия — одно из важнейших понятий, используемое для описаний природных явлений. Как и в повседневной жизни, в физике мы говорим, что тело обладает некоторой энергией, если оно способно совершить какую-либо работу. Энергия имеет множество разнообразных воплощений. Среди них энергия движения, тепловая энергия, энергия гравитации, электрическая энергия, химическая энергия и другие. Независимо от формы, энергия означает способность совершать работу. Например, камень, поднятый на некоторую высоту над землей, обладает гравитационной энергией. Если отпустить его, гравитационная энергия перейдет в энергию движения (кинетическую энергию), при падении же на землю камень может совершить механическую работу, разбив что-нибудь. Еще один пример — преобразование электрической или химической энергии в тепловую в бытовых приборах. В физике энергия всегда связана с протеканием тех или иных процессов, с теми или иными видами деятельности, и фундаментальное значение этого понятия заключается в том, что общее количество энергии, принимающей участие в процессе, подчиняется закону сохранения. Энергия может изменить свою форму, но не может прекратить свое существование вообще. Закон сохранения энергии принадлежит к числу важнейших законов физики. Ему подчиняются абсолютно все законы природы, и до сих пор не было обнаружено никаких свидетельств его несоответствия действительности.

Масса тела является мерой его собственного веса, то есть мерой гравитационного воздействия на него. Помимо этого, масса характеризует энергию тела, его сопротивления ускорениям, направленным извне. Тяжелые тела сложней привести в движение, чем легкие. Для того, чтобы убедиться в этом, попробуйте сдвинуть с места нагруженный грузовик. В классической физике понятие массы обычно ассоциируется с представлениями о некоей неуничтожаемой материальной субстанции — о материале, из которого, как тогда считалось, должны состоять все вещи. Масса, как и энергия, подчиняется закону сохранения и не может исчезать и появляться из ничего. Так утверждала классическая физика.

Однако теория относительности говорит, что масса — не что иное, как одна из форм энергии. Энергия не только может принимать разнообразные формы, которые стали известны еще в древности, но также может быть «законсервирована» в массе тела. Количество энергии, содержащееся, например, в частице, эквивалентно массе частицы, т, помноженной на скорость света в квадрате, то есть Е=мс^2.

Если масса тела становится мерой энергии, она теряет свойство неуничтожимости и может свободно преобразовываться в другие формы энергии. Последнее имеет место при столкновениях субатомных частиц. Во время таких столкновений некоторые частицы могут прекратить свое существование, а энергия, содержащаяся в их массе, может преобразоваться в кинетическую энергию и перераспределиться между другими частицами, принимающими участие при столкновении, и наоборот, при столкновении частиц, движущихся с очень большими скоростями, их кинетическая энергия может перейти в массу других частиц.

Создание и уничтожение материальных частиц — одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы, В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично — в массы новых частиц. Приводя субатомные частицы к столкновению друг с другом, мы получаем возможность исследовать их свойства, которые не могут быть описаны без учета эквивалентности массы и энергии. Это подтверждалось много раз, а для ученых, занимающихся физикой частиц, это настолько очевидно, что они измеряют массы частиц в соответствующих количествах энергии.