Содержание

Ведение

Основная часть:

Масса и энергия

Принцип относительности

Ядерная энергетика

Энергия огня

Природа массы

Заключение

Литература

Введение

Закон сохранения массы – один из фундаментальных законов естествознания. Невыполнение данного принципа могло бы привести к тому, что жизнь не Земле так бы никогда и не появилась (и даже не появилась бы сама Вселенная). Но окружающая нас Вселенная всё-таки существует и изобилует различными физико-химическими процессами, в основе которых и лежит тот самый закон сохранения массы (конечно же вместе с другими основополагающими законами физики и химии). На сегодняшний день вряд ли найдётся человек, который будет оспаривать справедливость рассматриваемого закона. Современному обывателю он покажется даже чересчур простым, годным для понимания чуть ли не в дошкольном возрасте. Но так было далеко не всегда. На протяжении тысячелетий мнения учёных относительно свойств массы разнились, зачастую противоречили друг другу. И сейчас не до конца познана природа этого фундаментального понятия физики. Но открытия последних трёх столетий значительно приблизили нас к пониманию истинного значения термина «масса» и раскрытию основных её свойств. Закон сохранения массы является постулатом прежде всего таких наук, как физика и химия. Именно здесь мы видим наиболее яркие его проявления, именно здесь во всей красе раскрывается его суть. Рассматриваемый принцип также находит применение и в биологии, географии, астрономии и некоторых других естественных науках. Что же касается наук гуманитарных, то нужно отметить влияние закона сохранения массы прежде всего на философию, т.к. он лежит в основе современного представления человека о бытии. Конечно, в рамках одной работы невозможно рассмотреть все точки зрения на проблему формулировки и применения закона сохранения массы. Здесь рассмотрен наиболее общий взгляд на данный закон, а также изложены те факты, достоверность которых на данный момент не вызывает сомнений.

Масса и энергия

Ньютон первым по-настоящему осознал, насколько загадочны в действительности масса и энергия в физике, и сделал первую попытку разобраться в этой проблеме. В 1687 году, со словами "однако положение не совсем безнадежно", он предложил свое понимание существа дела, и оно оставалось неоспоримым вплоть до 1905 года, до Эйнштейна. По Ньютону, смысл массы виден из открытого им самим закона движения тел. Если тело под действием некоторой силы приобретает некоторое ускорение, то его масса представляет собой отношение этой силы к этому ускорению. Предполагается, что все измерения проводятся в инерциальной системе отсчета, в которой (по ее определению) тела покоятся или движутся равномерно и прямолинейно в отсутствие действующих на них сил. При этом - согласно принципу относительности Галилея -- законы природы одинаковы во всех инерциальных системах, так что и такое понимание массы справедливо во всех этих системах. Что же касается энергии, то она обязана движению тел, их скорости v. В механике это кинетическая энергия E, и она, конечно, связана с массой тела m по формуле E = 1/2 * m*v2. Но в сущности масса и энергия -- вещи разные. Обе они подчиняются законам сохранения, но порознь: есть закон сохранения массы и отдельно закон сохранения энергии. Достойно восхищения, что Ньютон увидел глубокую связь открытых им законов движения с общими свойствами пространства и времени. Эти законы возможны лишь потому, что пространство и время абсолютны, то есть заданы раз и навсегда и существуют независимо от всего того, что происходит в мире.

Принцип относительности

На самом деле пространство отнюдь не абсолютно, и это должно проявляться при движении со скоростями, приближающимися к скорости света. При этом размеры тел оказываются различными, когда их измеряют в разных системах отсчета. И время не абсолютно: что случается одновременно в одной системы отсчета, то оказывается не одновременным в другой системе. И только единое четырехмерное пространство-время имеет абсолютный смысл, будучи инвариантным, то есть одним и тем же во всех системах отсчета. Это стало ясно Эйнштейну в 1905 году, когда он дополнил принцип относительности Галилея утверждением о конечной скорости распространения всех взаимодействий в природе. Предельная скорость распространения взаимодействий равна скорости света в пустоте c, и она одинакова во всех инерциальных системах отсчета, будучи универсальной физической постоянной. Из новой концепции пространства-времени выросла релятивистская механика, заменившая механику Ньютона. Центральным теоретическим и главным практическим следствием механики Эйнштейна стало новое понимание массы и энергии физических тел и их систем. Ньютоновское определение массы как отношения силы к ускорению в ней уже не действует. Такое отношение, как оказывается, может быть различно для одного и того же тела в разных обстоятельствах. Пусть тело движется так, что его скорость меняется только по направлению, но не по величине. В этом случае сила, действующая на тело, направлена перпендикулярно скорости. Это один пример. А в другом -- скорость меняется, наоборот, только по величине, но не по направлению, и сила направлена по скорости. Согласно новой механике, во втором случае отношение силы к ускорению больше, чем в первом. Если в обоих случаях скорость тела составляла, скажем, одну треть от скорости света, то разница будет приблизительно в 13%. Дело, конечно, не в конкретных цифрах; важнее то, что понятие массы в релятивистской физике стало принципиально иным. Оно оказалось богаче внутренним физическим содержанием и новыми глубинными связями. Это прежде всего связи между массой и энергией.

Масса в теории относительности определяется не через силу и ускорение; теперь она определяется энергией тела. При этом масса задается и измеряется в состоянии, когда тело покоится. Если тело массы m находится в покое, то запасенная в нем энергия E равна произведению массы на квадрат скорости света: E = m*c2. Так выглядит эйнштейновское соотношение между энергией покоя и массой тела, самая знаменитая формула науки. Она означает, что даже в состоянии покоя тело обладает определенной энергией, которая целиком обязана его массе. (Заметим в скобках, что хотя формулы теории относительности оставались с самого начала одними и теми же, физики - Планк, Паули, Фейнман и др. - давали массе различные истолкования. Случалось, и сам Эйнштейн менял точку зрения, потом снова возвращался к старому и т.д. Из-за этого в литературе, особенно учебной и популярной, возникла досадная путаница, которая, надо сказать, продолжается и до сих пор. В популярной книге Л.Д. Ландау и Ю.Б. Румера "Что такое теория относительности", которая не раз издавалась, говорится о массе, зависящей от скорости тела, то есть разной в разных системах отсчета; утверждается, что "Результаты опытов полностью подтвердили вытекающую из принципа относительности зависимость массы от скорости". Но массы, зависящей от скорости, нет в книге Эйнштейна "Сущность теории относительности". В нашем изложении мы следуем этой классической книге и классическому учебнику Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица "Теория поля".)