Tweeter button Facebook button Youtube button

Лев Окунь. Масса, энергия, относительность

02/04/2012
By
Окунь Лев Борисович

Лев Борисович Окунь

Соотношение Эйн­штейна, устанавливающее связь между массой тела и содержащейся в нем энергией, несомненно, является самой знаменитой формулой теории относительности. Оно позволило по-новому, более глубоко понять окру­жающий нас мир. Его практические следствия огромны и в значительной своей части трагичны. В некотором смысле эта формула стала символом науки XX века.

Зачем понадобилась еще одна статья об этом знаменитом соотноше­нии, о котором и так уже написаны тысячи статей и сотни книг?

Прежде чем я отвечу на этот вопрос, подумайте, в какой форме, по Вашему мнению, наиболее адекватно выражается физический смысл со­отношения между массой и энергией. Перед Вами четыре формулы:

 

Е0 = 2,                                                                  (1.1)

Е = 2,                                                                    (1.2)

Е0 = m0с2,                                                                 (1.3)

Е = m0с2;                                                                   (1.4)

здесь с - скорость света, Е - полная энергия тела, m - его масса, Е0 - энергия покоя, m0 - масса покоя того же тела. Выпишите, пожалуйста, номера этих формул в том порядке, в котором Вы считаете их более «правильными». А теперь продолжайте чтение.

В научно-популярной литературе, школьных учебниках и подавляю­щей части вузовских учебников доминирует формула (1.2) (и ее следст­вие - формула (1.3)), которую обычно читают справа налево и интерпре­тируют так: масса тела растет с его энергией - как внутренней, так и ки­нетической.

Подавляющее большинство серьезных монографий и научных статей по теоретической физике, особенно по теоретической физике элементар­ных частиц, для которой специальная теория относительности является рабочим инструментом, формул (1.2) и (1.3) вообще не содержат. Со­гласно этим книгам масса тела m не меняется при его движении и с точностью до множителя с равна энергии, содержащейся в покоящемся теле, т.е. справедлива формула (1.1). При этом как сам термин «масса по­коя», так и обозначение mс являются избыточными и потому не употреб­ляются. Итак, существует как бы пирамида, основание которой состав­ляют издаваемые миллионными тиражами научно-популярные книги и школьные учебники, а вершину - монографии и статьи по теории элементарных частиц, тиражи которых исчисляются тысячами.

Между верхом и низом этой теоретической пирамиды имеется зна­чительное число книг и статей, где загадочным образом мирно сосущест­вуют все три (и даже четыре!) формулы. В сложившейся ситуации ви­новаты в первую очередь физики-теоретики, до сих пор не разъяснившие широким кругам образованных людей этот абсолютно простой вопрос.

Цель этой статьи - как можно более просто объяснить, почему фор­мула) (1.1) адекватна сути теории относительности, а формулы (1.2) и (1.3) - нет, и таким образом способствовать распространению в учебной и научно-популярной литературе четкой, не вводящей в заблуждение и не приводящей к недоразумениям терминологии. Такую терминологию я в дальнейшем буду называть правильной. Я надеюсь, что мне удастся убедить читателя в том, что термин «масса покоя» m0 является излиш­ним, что вместо «массы покоя» m0 следует говорить о массе тела m, ко­торая для обычных тел в теории относительности и в ньютоновой механи­ке - одна и та же, что в обеих теориях масса m не зависит от системы отсчета, что понятие массы, зависящей от скорости, возникло в начале XX века в результате незаконного распространения ньютоновского соотношения между импульсом и скоростью на область скоростей, сравни­мых со скоростью света, в которой оно несправедливо, и что в конце XX века с понятием массы, зависящей от скорости, пора окончательно распрощаться.

Статья состоит из двух частей. В первой части (разделы 2-12) об­суждается роль массы в механике Ньютона. Затем рассмотрены основ­ные формулы теории относительности, связывающие энергию и импульс частицы с ее массой и скоростью, устанавливается связь ускорения с си­лой и приведено релятивистское выражение для гравитационной силы. Показано, как определяется масса системы, состоящей  из  нескольких частиц, и рассмотрены примеры физических процессов, в результате ко­торых масса тела или системы тел меняется, причем это изменение со­провождается поглощением или испусканием частиц, несущих кинетиче­скую энергию. Первая часть статьи завершается кратким рассказом о современных   попытках   теоретически   вычислить   массы   элементарных частиц.

Во второй части (разделы 13-20) рассказано об истории возникно­вения понятия массы тела, растущей с его энергией, так называемой ре­лятивистской массы. Показано, что использование этого архаичного понятия не отвечает четырехмерно-симметричной форме теории относитель­ности и ведет к многочисленным недоразумениям в учебной и научно-по­пулярной литературе.

ФАКТЫ.

2. Масса в ньютоновой механике.

Как хорошо известно, масса в ньютоновой механике обладает рядом важных свойств, и прояв­ляется, так сказать, в нескольких обличиях:

1. Масса является мерой количества вещества, количества материи.

2. Масса составного тела равна сумме масс составляющих его тел.

3. Масса изолированной системы тел сохраняется, не меняется со временем.

4. Масса тела не меняется при переходе от одной системы отсчета к другой, в частности, она одинакова в различных инерциальных системах координат.

5. Масса тела является мерой его инертности (или инерции, или инер­ционности, как пишут некоторые авторы).

6. Массы тел являются источником их гравитационного притяжения друг к другу.

Обсудим более подробно два последних свойства массы.

Как мера инерции тела, масса т выступает в формуле, связывающей импульс тела р и его скорость v:

p = mv.                                                                      (2.1)

Масса входит также и в формулу для кинетической энергии тела Еkin:

(2.2)

В силу однородности пространства и времени импульс и энергия сво­бодного тела сохраняются в инерциальной системе координат. Импульс данного тела меняется со временем только под воздействием других тел:

(2.3)

где F - сила, действующая на тело. Если учесть, что по определению ускорения а

a = dv/dt,                                                                  (2.4)

и учесть формулы (2.1) и (2.3), то получим

F = .                                                                     (2.5)

В этом соотношении масса снова выступает как мера инерции. Таким об­разом, в ньютоновой механике масса как мера инерции определяется двумя соотношениями: (2.1) и (2.5). Одни авторы предпочитают опреде­лять меру инерции соотношениями (2.1), другие - соотношением (2.5). Для предмета нашей статьи важно лишь, что оба эти определения совме­стимы в ньютоновой механике.

Обратимся теперь к гравитации. Потенциальная энергия притяжения между двумя телами с массами М и m (например, Земли и камня), равна

Ug = - GMm/r,                                                                     (2.6)

где G - 6,7×10-11 Н×м2кг-2 (напомним, что 1 Н = 1 кг×м×с2). Сила, с которой Земля притягивает камень, равна

Fg = - GMmr/r3,                                                       (2.7)

где радиус-вектор r, соединяющий центры масс тел, направлен от Земли к камню. (С такой же, но противоположно направленной силой камень притягивает Землю.)

Из формул (2.7) и (2.5) следует, что ускорение тела, свободно падающего в гравитационном поле, не зависит от его массы. Ускорение в поле Земли обычно обозначают g:

(2.8)

Как нетрудно оценить, подставив в формулу (2.9) значения массы и ра­диуса Земли (Мз » 6×1024 кг, Rз » 6,4×106 м), g » 9,8 м/с2.

Впервые универсальность величины g была установлена Галилеем, который пришел к выводу, что ускорение падающего шара не зависит ни от массы шара, ни от материала, из которого он сделан. С очень высокой степенью точности эта независимость была проверена в начале XX в. Этвешем и в ряде недавних экспериментов. Независимость гравитацион­ного ускорения от массы ускоряемого тела в школьном курсе физики обычно характеризуют как равенство инертной и гравитационной массы, имея при этом в виду, что одна и та же величина m входит как в формулу (2.5), так и в формулы (2.6) и (2.7).

Мы не будем здесь обсуждать другие свойства массы, перечисленные в начале этого раздела, поскольку они кажутся самоочевидными с точки зрения здравого смысла. В частности, ни у кого не вызывает сомнения, что масса вазы равна сумме масс её осколков:

(2.9)

Никто не сомневается также в том, что масса двух автомобилей равна сумме их масс независимо от того, стоят они или мчатся с предельной скоростью навстречу друг другу.

3. Принцип относительности Галилея.

Если отвлечься от конкретных формул, то можно сказать, что квинтэссенцией ньютоновой механики является принцип относительности.

В одной из книг Галилея есть яркое рассуждение на тему о том, что в каюте корабля с зашторенным иллюминатором никакими механически­ми опытами нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение корабля относительно берега. Приводя этот пример, Галилей подчерки­вал, что никакие механические опыты не могут отличить одну инерциальную систему отсчета от другой. Это утверждение получило название принципа относительности Галилея. Математически этот принцип выра­жается в том, что уравнения ньютоновой механики не меняются при пе­реходе к новым координатам: r-> r' = r-Vtt-> t' = t, где V - скорость новой инерциальной системы относительно исходной.

4. Принцип относительности Эйнштейна.

В начале XX века был сформулирован более общий принцип, получивший название
принципа относительности Эйнштейна. Согласно принципу относительности Эйнштейна не только механические, но и любые другие эксперименты (оптические, электрические, магнитные и т.д.) не могут отличить одну инерциальную систему от другой. Теория, построенная на этом принципе, получила название теории относительности, или релятивистской теории (латинский термин «релятивизм» эквивалентен русскому термину «отно­сительность»).

Релятивистская теория, в отличие от нерелятивистской (ньютоновой механики), учитывает, что в природе существует предельная скорость с распространения физических сигналов: с = 3×108 м/с.

Обычно о величине с говорят как о скорости света в пустоте. Реля­тивистская теория дает возможность рассчитывать движение тел (ча­стиц) с любыми скоростями v вплоть до v = с. Нерелятивистская ньюто­нова механика является предельным случаем релятивистской эйнштейновской механики при v/с -> 0. Формально в ньютоновой механике нет пре­дельной скорости распространения сигналов, т.е. с = бесконечности.

Введение эйнштейновского принципа относительности потребовало изменения взгляда на такие фундаментальные понятия, как пространство, время, одновременность. Оказалось, что по отдельности расстояния меж­ду двумя событиями в пространстве r и во времени t не остаются неиз­менными  при переходе от одной инерциальной системы координат к другой, а ведут себя как компоненты четырехмерного вектора в четырех­мерном пространстве-времени Минковского. Неизменной, инвариантной остается при этом лишь величина s, называемая интервалом: s2 = с2t2 - r2.

5. Энергия, импульс и масса в теории относитель­ности.

Основными соотношениями теории относительности для свобод­но движущейся частицы (системы частиц, тела) являются

Е2 – р2 с2 = m2c4,                                                      (5.1)

р = vE/c2;                                                                  (5.2)

здесь E - энергия, р - импульс, m - масса, а v - скорость частицы (си­стемы частиц, тела). Следует подчеркнуть, что масса m и скорость v для частицы или тела - это те же самые величины, с которыми мы имеем дело в ньютоновой механике. Подобно четырехмерным координатам t, r, энергия Е и импульс р являются компонентами четырехмерного вектора. Они меняются при переходе от одной инерциальной системы к другой согласно преобразованиям Лоренца.. Масса же остается при этом неиз­менной, она является лоренцевым инвариантом.

Следует подчеркнуть, что, как и в ньютоновой механике, в теории относительности имеют место законы сохранения энергии и импульса изолированной частицы или изолированной системы частиц.

Кроме того, как и в ньютоновой механике, энергия и импульс адди­тивны: полные энергия и импульс n свободных частиц равны соответст­венно

, .                                          (5.3)

Что касается массы, то в теории относительности масса изолированной системы сохраняется, не меняется со временем, но свойством аддитив­ности не обладает (см. ниже).

Важнейшим отличием теории относительности от нерелятивистской механики является то, что энергия  массивного тела не обращается  в нуль, даже когда такое тело покоится, т.е. при v = 0, р = 0. Как видно из (2.1), энергия покоя тела (ее обычно обозначают Е0) пропорциональна его массе:

Е0 = mс2.                                                                   (5.4)

Именно утверждение о том, что в инертной покоящейся материи таятся огромные (благодаря квадрату предельной скорости с) запасы энергии, сделанное Эйнштейном в 1905 г., является главным практическим следствием теории относительности. На соотношении (5.4) основана вся ядерная энергетика и вся ядерная военная техника. Возможно, не столь широко известно, что на этом же соотношении основана и вся обычная энергетика.

6. Предельные случаи релятивистских уравнений.

Замечательным свойством уравнений (5.1) и (5.2) является то, что они описывают движение частиц во всем интервале скоростей: , В частности, при v = с из (5.2) следует, что

pс = Е,                                                                                  (6.1)

Подставив это равенство в (5.1), мы приходим к выводу, что если частица движется со скоростью с, то ее масса равна нулю, и наоборот. У безмассовой частицы нет системы координат, где она покоится, покой ей «только снится».

Для массивных частиц (так мы будем называть частицы с ненуле­вой массой, даже если они очень легкие) формулы для энергии и им­пульса удобно выразить через массу и скорость. Для этого подставим (5.2) в (5.1):

(6.2)

и, извлекая квадратный корень, получим

(6.3)

Подставляя (6.3) в (5.2), получим

(6.4)

Из формул (6.3) и (6.4) очевидно, что массивное тело (с ) не может двигаться со скоростью света, так как при этом должны обратиться в бесконечность энергия и импульс тела.

В литературе по теории относительности обычно используются обозначения

,                                                                                 (6.5)

.                                                                   (6.6)

Используя , можно записать Е и р в виде

,                                                                  (6.7)

.                                                                   (6.8)

Определим кинетическую энергию Еkin как разность полной энергии Е и энергии покоя Е0:

(6.9)

В пределе, когда v/с << 1, в выражениях (6.8), (6.9) следует оставить первые члены ряда по . Тогда мы естественным образом возвращаемся к формулам механики Ньютона:

р = mv,                                                                     (6.10)

Еkin = p2/2m = mv2/2,                                                           (6.11)

откуда видно, что масса тела в ньютоновой механике и масса того же тела в релятивистской механике - это одна и та же величина.

7. Связь между силой и ускорением в теории отно­сительности.

Можно показать, что в теории относительности сохра­няется ньютоново соотношение между силой F и изменением импульса

F = dp/dt.                                                                 (7.1)

Используя соотношение (7.1) и определение ускорения

a = dv/dt,                                                                  (7.2)

легко получить

(7.3)

Мы видим, что, в отличие от нерелятивистского случая, ускорение в ре­лятивистском случае не направлено по силе, а имеет также составляю­щую по скорости. Умножая (7.3) на v, найдем

(7.4)

Подставив это в (7.3), получим

(7.5)

Несмотря на необычность уравнения (7.3) с точки зрения ньютоновой механики, а вернее, именно благодаря этой необычности, это уравне­ние правильно описывает движение релятивистских частиц. С начала века оно многократно подвергалось экспериментальным проверкам в различных конфигурациях электрических и магнитных полей. Это урав­нение является основой инженерных расчетов релятивистских ускорителей.

Итак, если F перпендикулярна v, то

(7.6)

если же F || v, то

(7.7)

Таким образом, если попытаться определить как «инертную массу» от­ношение силы к ускорению, то эта величина в теории относительности зависит от взаимного направления силы и скорости, и потому однознач­ным образом ее определить нельзя. К такому же заключению относи­тельно «гравитационной массы» приводит рассмотрение гравитационно­го взаимодействия.

8. Гравитационное притяжение в теории относи­тельности.

Если в ньютоновой теории сила гравитационного взаимо­действия определяется массами взаимодействующих тел, то в реляти­вистском случае ситуация значительно сложнее. Дело в там, что в реля­тивистском случае источником гравитационного поля является сложная величина, имеющая десять различных компонент, - так называемый тен­зор энергии-импульса тела. (Для сравнения  укажем, что источником электромагнитного поля является электромагнитный ток, являющийся четырехмерным вектором и имеющий четыре компоненты.)

Рассмотрим самый простой пример, когда одно из тел имеет очень большую массу М и находится в покое (например, Солнце или Земля), а другое имеет очень малую или даже нулевую массу, например элек­трон или фотон с энергией Е. Исходя из общей теории относительности, можно показать, что в этом случае сила, действующая на легкую части­цу, равна

.                (8.1)

Легко видеть, что для медленного электрона с << 1 выражение в квад­ратной скобке сводится к r, и, учитывая, что Е02 = m, мы возвраща­емся к нерелятивистской формуле Ньютона. Однако при v/с ~1 или v/с = 1 мы сталкиваемся с принципиально новым явлением: величина, играющая роль «гравитационной массы» релятивистской частицы, ока­зывается зависящей не только от энергии частицы, но и от взаимного направления векторов r и v. Если

v || r, то «гравитационная масса» равна Е/с2, но если v перпендикулярна r, то она становится равной (Е/с2)(1+2), а для фотона 2Е/с2.

Мы используем кавычки, чтобы подчеркнуть, что для релятивист­ского тела понятие гравитационной массы неприменимо. Бессмысленно говорить о гравитационной массе фотона, если для вертикально падаю­щего фотона эта величина в два раза меньше, чем для летящего гори­зонтально.

Обсудив различные аспекты динамики одной релятивистской части­цы, обратимся теперь к вопросу о массе системы частиц.

9. Масса системы частиц.

Мы уже отметили выше, что в теории относительности масса системы не равна массе составляющих систему тел. Это утверждение можно проиллюстрировать несколькими примерами.

1. Рассмотрим два фотона, разлетающихся в противоположные стороны с одинаковыми энергиями Е. Суммарный импульс такой системы равен нулю, а суммарная энергия (она же энергия покоя системы двух фотонов)  равна . Следовательно, масса этой системы равна
2Е/с2. Легко убедиться, что система двух фотонов будет иметь нулевую массу только в том случае, когда они летят в одном направлении.

2. Рассмотрим систему, состоящую из n тел. Масса этой системы определяется формулой

m = ,                                           (9.1)

где - сумма энергий этих тел, а - векторная сумма их импульсов.

Два первых примера характерны тем, что представляют собой си­стемы свободных частиц; размеры этих систем неограниченно растут со временем по мере разлета составляющих их частиц. Обратимся теперь к системам, размеры которых остаются неизменными.

3. Рассмотрим атом водорода, состоящий из протона и электрона. Энергия покоя атома Е0 с хорошей точностью может быть представлена суммой четырех слагаемых:

Е0 = mpс2 + mес2 + Еkin + U,                                               (9.2)

где mр - масса протона, mе - масса электрона, Еkin и U - кинетическая и потенциальная энергии электрона.

Потенциальная энергия U обусловлена взаимным притяжением электрических зарядов протона и электрона, которое не дает электрону улететь от протона. Из теории, исчерпывающе проверенной опытом, сле­дует, что

Еkin + U = - Еkin = - (1/2)meve2 ,                                  (9.3)

где vе = с/137 - скорость электрона в атоме водорода. Отсюда

mн = E0/c2 = mр + mеmeve2/2c2.                            (9.4)

Таким образом, масса атома водорода на несколько стотысячных долей массы электрона меньше, чем mр + mе.

4. Рассмотрим дейтрон - ядро тяжелого изотопа водорода, состоя­щее из протона и нейтрона. Протон и нейтрон притягиваются сильней и движутся быстрей, чем электрон в атоме водорода. В результате масса дейтрона примерно на 0,1% меньше, чем сумма масс протона и нейтрона.

По существу, два последних примера мы рассмотрели на основе Не­релятивистской механики, поскольку обсуждаемые разности масс, или, как их называют, дефекты масс, хотя и существенны, но достаточно малы по сравнению с самими массами.

Теперь самое время вспомнить о разбитой вазе, упомянутой в раз­деле 2. Сумма масс осколков вазы равна массе вазы с той точностью, с которой энергия связи этих осколков мала по сравнению с их энергией покоя.

10. Примеры взаимопревращений энергии покоя и кинетической энергии.

В ядерных или химических реакциях энергия покоя должна в силу закона сохранения энергии переходить в кинетическую энергию продуктов реакции, если суммарная масса час­тиц, вступающих в реакцию, больше суммарной массы продуктов реак­ции. Рассмотрим четыре примера:

1. При аннигиляции электрона и позитрона в два фотона вся энергия покоя электрона и позитрона переходит в кинетическую энергию фо­тонов.

2. В результате термоядерных реакций, идущих на Солнце, происходит превращение двух электронов и четырех протонов в ядро гелия и два нейтрино:

2е + 4р -> 4Не + 2v + Еkin.                                     (10.1)

Выделяемая энергия Еkin = 29,3 МэВ. Если учесть, что масса про­тона 938 МэВ, а масса электрона 0,5 МэВ, то относительное уменьшение массы порядка процента (dm/m = 0,8×10-2).

3. При столкновении медленного нейтрона с ядром 235U ядро делит­ся на два осколка, вылетают 2 или 3 нейтрона, способных поразить другие ядра урана, и выделяется энергия Еkin » 200 МэВ. В этом случае, как легко убедиться, (dm/m = 0,9×10-3).

4. В реакции горения метана в газовой горелке на кухне

СН4 + 2О2 -> СО2 + 2Н2О (10.2)

выделяется энергия, равная 35,6 МДж на кубический метр метана. Учи­тывая, что плотность метана 0,89 кг/м3, нетрудно найти, что в этом слу­чае dm/m = 10-10. В химических реакциях величина dm/m на 7-8 поряд­ков меньше, чем в ядерных, но суть механизма выделения энергии та же: энергия покоя переходит в кинетическую энергию.

Чтобы подчеркнуть, что масса тела меняется всегда, когда меняется его внутренняя энергия, рассмотрим два обыденных примера:

1) при нагревании железного утюга на 200° его масса возрастает на величину dm/m =10-12 (это легко оценить, если учесть, что теплоем­кость железа составляет 450 Дж/кг×град);

2) при полном превращении некоторого количества льда в воду dm/m = 3,7×10-12.

11. Сравнение роли массы в теориях Эйнштейна и Ньютона.

Суммируя сказанное выше, целесообразно сравнить роль массы в механике Эйнштейна с ее ролью в механике Ньютона.

1. В теории относительности, в отличие от механики Ньютона, мас­са системы не является мерой количества материи. Само понятие мате­рии в релятивистской теории гораздо богаче, чем  в нерелятивистской. В релятивистской теории нет принципиальной разницы между веще­ством (протонами, нейтронами, электронами) и излучением (фото­нами).

Протоны, нейтроны, электроны и фотоны являются наиболее часто встречающимися в природе представителями большого семейства так называемых элементарных частиц. Возможно, что фотоны не единствен­ные частицы, имеющие нулевую массу. Не исключено, например, что нулевой массой обладают некоторые типы нейтрино. Возможно, что существуют и другие безмассовые частицы, которые не открыты пока из-за того, что их очень трудно обнаружить с помощью имеющихся при­боров.

2. В нерелятивистской теории, чем больше отдельных частиц (атомов) содержит система (гиря), тем больше ее масса. В релятивистской теории, когда энергии частиц очень велики по сравнению с их массами, масса системы частиц определяется не только и не столько их числом, сколько их энергиями и взаимной ориентацией импульсов. Масса со­ставного тела не равна сумме масс составляющих его тел.

3. Как и в ньютоновой механике, масса изолированной системы тел сохраняется, не меняется со временем. Только теперь, разумеется, в чис­ло этих тел необходимо включить не только «вещество», скажем атомы, но и «излучение» (фотоны).

4. Как и в ньютоновой механике, в теории относительности масса тела не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

5. Масса релятивистски движущегося тела не является мерой его инертности. Более того, единой меры инертности для релятивистски дви­жущихся тел вообще не существует, поскольку сопротивление тела уско­ряющей его силе зависит от угла между силой и скоростью.

6. Масса релятивистски движущегося тела не определяет его взаи­модействия с гравитационным полем. Это взаимодействие определяется выражением, зависящим от энергии и импульса тела.

Несмотря на четыре «не» масса тела и в теории относительности является его важнейшей характеристикой. Равная нулю масса означает, что «тело» должно всегда двигаться со скоростью света. Неравная нулю масса характеризует механику тела в системе отсчета, где оно движется медленно или покоится. Эта система отсчета является выделенной по сравнению с другими инерциальными системами.

7. Согласно теории относительности масса частицы является ме­рой энергии, «спящей» в покоящейся  частице, мерой энергии покоя: Е0 = 2. Это свойство массы было неизвестно в нерелятивистской механике.

Масса элементарной частицы является одной из ее важнейших ха­рактеристик. Ее стараются измерить с наилучшей точностью. Для ста­бильных или долгоживущих частиц массу определяют путем независи­мого измерения энергии и импульса частицы и применения формулы m2 = (Е24) - (р22). Массы короткоживущих частиц определяют путем измерения энергий и импульсов частиц, рождающихся при их распаде или «присутствующих» при их рождении.

Сведения о массах всех элементарных частиц наряду с другими их свойствами (временем жизни, спином, способами распада) содержатся в регулярно обновляемых сборниках.

12. Природа массы - вопрос № 1 современной физи­ки.

За последние десятилетия произошел большой прогресс в понимании свойств элементарных частиц. Была построена квантовая электро­динамика - теория взаимодействия электронов с фотонами,  заложены основы квантовой хромодинамики - теории взаимодействия кварков с глюонами и теории электрослабого взаимодействия. Во всех этих тео­риях частицами-переносчиками взаимодействий являются так называемые векторные бозоны - частицы, имеющие спин, равный единице: фо­тон, глюоны, W- и Z-бозоны.

Что касается масс частиц, то здесь достижения гораздо более скром­ные. На рубеже XIX и XX столетий существовала вера, что масса может иметь чисто электромагнитное происхождение, по крайней мере для электрона. Сегодня мы знаем, что электромагнитная доля массы элек­трона составляет малую долю его полной массы. Мы знаем, что основ­ной вклад в массы протонов и нейтронов дают сильные взаимодействия, обусловленные глюонами, а не массы кварков, входящих в состав про­тонов и нейтронов.

Но мы совершенно ничего не знаем о том, чем обусловлены массы шести лептонов (электрона, нейтрино и еще четырех аналогичных им частиц) и шести кварков (из которых три первых существенно легче протона, четвертый - немного, а пятый в пять раз тяжелее протона, а шестой настолько массивен, что его пока не удалось создать и обнару­жить).

Существуют теоретические догадки, что в создании масс лептонов и кварков, а также W- и Z-бозонов решающую роль играют гипотетиче­ские частицы со спином, равным нулю. Поиски этих частиц - одна из основных задач физики высоких энергий.

АРТЕФАКТЫ.

13. На стыке столетий: четыре «массы».

Все изложенное в первой части этой статьи известно любому физику-теоретику, имевшему когда-либо дело со специальной теорией относительности. С другой стороны, любой физик и не только физик, слышал о «знаменитом» соот­ношении Эйнштейна Е = 2. Поэтому естественно задать вопрос, каким образом осуществляется в литературе и умах читателей мирное сосуще­ствование взаимоисключающих формул:

Е0 = 2,

Е = 2.

Прежде чем искать ответ на этот вопрос, еще раз напомню, что со­гласно первой формуле массе покоящегося тела отвечает энергия покоя Е0, а согласно второй любое тело с энергией Е имеет массу Е/с2. Соглас­но первой масса тела не меняется при его движении. Согласно второй масса тела растет с ростом скорости тела. Согласно первой фотон безмассов, согласно второй у фотона есть масса, равная Е/с2.

Чтобы ответить на поставленный вопрос о сосуществовании формул, нам придется обратиться к истории создания, интерпретации и призна­ния специальной теории относительности.

При обсуждений вопроса о связи массы и энергии в качестве отправ­ной точки обычно берется статья Дж.Дж. Томсона [1], опубликованная в 1881 г. В этой статье была сделана первая попытка оценить вклад в инертную массу электрически заряженного тела, вносимый энергией электромагнитного поля этого тела.

Обычно рождение теории относительности связывают со статьей Эйнштейна 1905 г. [2], в которой была четко сформулирована относи­тельность одновременности. Но, разумеется, работа над созданием и ин­терпретацией теории началась задолго до 1905 г. и продолжалась долгое время после этого.

Если говорить об интерпретации, то процесс, по-видимому, происхо­дит до сих пор. Иначе не было бы необходимости писать данную статью. Что касается признания, то можно сказать, что даже в конце 1922 г., когда Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия, теория отно­сительности не была общепризнанной.

Секретарь Шведской академии наук писал Эйнштейну, что Акаде­мия присудила ему Нобелевскую премию за открытие закона фотоэф­фекта, «но не учитывая ценность, которая будет признана за Вашими теориями относительности и гравитации, после того, как они в будущем будут подтверждены» (цитируется по книге А. Пайса [3]).

Формула Е = 2 появилась в 1900 г., до создания теории относи­тельности. Написал ее А. Пуанкаре, который исходил из того, что плос­кая световая волна, несущая энергию Е, несет импульс р, абсолютная величина которого, в соответствии с теоремой Пойнтинга, равна Е/с. Используя нерелятивистскую формулу Ньютона для импульса р = mv от и учитывая, что для света v = с, Пуанкаре [4] пришел к выводу, что фотон должен обладать инертной массой m=Е/с2.

Еще за год до этого, в 1899 г., Лоренц [5] впервые ввел понятие про­дольной и поперечной масс ионов, первая из которых растет с ростом скорости как g3, а вторая как g. К этому выводу он пришел, используя ньютонову связь между силой и ускорением F =. Подробное рассмот­рение этих масс для электронов содержится в его статье [6], опублико­ванной в 1904 г.

Так на границе столетий из-за, как мы теперь понимаем, незакон­ного использования нерелятивистских формул для описания релятивист­ских объектов, возникло семейство «масс», растущих с энергией тела:

«релятивистская масса» m = Е/с2,

«поперечная масса» ,

«продольная масса».

Заметим, что при m не равном 0 релятивистская масса равна поперечной, но, в отличие от поперечной, она имеется и у безмассовых тел, у которых m = 0. Здесь букву m мы употребляем в обычном смысле, так как упо­требляли ее в первой части этой статьи. Но все физики в первые пять лет этого века, т.е. до создания теории относительности, а (многие и после создания теории относительности называли массой и обозначали буквой m релятивистскую массу, как это сделал Пуанкаре в работе 1900 г. И тогда с неизбежностью должен был возникнуть и возник еще один, четвертый термин: «масса покоя», которую стали обозначать m0. Термином «масса покоя» стали называть обычную массу, кото­рую при последовательном изложении теории относительности обозна­чают m.

Так появилась «банда четырех», которой удалось успешно внедрить­ся в рождающуюся теорию относительности. Так были созданы необхо­димые предпосылки для путаницы, продолжающейся по сегодняшний день.

С 1900 г. начались специальные опыты с b-лучами и катодными лу­чами, т.е. с энергичными электронами, пучки которых отклонялись маг­нитными и электрическими полями (см. книгу А. Миллера [7]).

Эти опыты назывались опытами по измерению зависимости массы от скорости, и в течение почти всего первого десятилетия нашего века их результаты не согласовывались с полученными Лоренцом выражениями для m, и ml а по существу опровергали теорию относительности и находились в хорошем согласии с неправильной теорией М. Абрагама. В дальнейшем согласие с формулами Лоренца возобладало, но из цити­рованного выше письма секретаря Шведской академии наук видно, что оно не выглядело абсолютно убедительным.

14. Масса и энергия в статьях Эйнштейна 1905 г.

В первой работе Эйнштейна по теории относительности [2] он, как и все в то время, пользуется понятиями продольной и поперечной массы, но не обозначает их специальными символами, а для кинетической энергии W получает соотношение

W = mV2 ,

где m - масса, а V - скорость света. Таким образом, понятием «масса покоя» он не пользуется.

В том же 1905 г. Эйнштейн печатает короткую заметку [8], в кото­рой приходит к выводу, «что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии». Если воспользоваться современными обозначениями, то этот вывод выражается формулой

Е0 = 2,

Собственно символ Е0 фигурирует уже в первой фразе, с которой начи­нается доказательство: «Пусть в системе (х, у, z) находится покоящееся тело, энергия которого, отнесенная к системе (х, у, z), равна Е0». Тело это излучает две плоские световые волны с равными энергиями L/2 в противоположных направлениях. Рассматривая этот процесс в системе, движущейся со скоростью v, используя то обстоятельство, что в этой системе суммарная энергия фотонов равна L( - 1), и приравнивая ее к разности кинетических энергий тела до и после испускания, Эйнштейн приходит к выводу, что «если тело отдает энергию L в виде излучения, то его масса уменьшается на L/V2», т.е. dm = 02. Таким образом, в этой работе введено понятие энергии покоя тела и установлена эквива­лентность массы тела и энергии покоя.

15. «Обобщенная формула Пуанкаре».

Если в работе 1905 г. Эйнштейн был вполне четок, то в его последующей статье [9], вышедшей в 1906 г., эта четкость несколько размывается. Ссылаясь на упоминавшуюся нами выше работу Пуанкаре 1900 г., Эйнштейн пред­лагает более наглядное доказательство вывода Пуанкаре и утверждает, что каждой энергии Е соответствует инерция Е/V2 (инертная масса Е/V2, где V - скорость света), он приписывает «электромагнитному полю плотность массы (rе), которая отличается от плотности энергии множи­телем 1/V2. Вместе с тем, из текста статьи [9] видно, что он считает эти утверждения развитием своей работы 1905 г. И хотя в статье [10], вышедшей в 1907 г., Эйнштейн вновь четко говорит об эквивалентности массы и энергии покоя тела (§ 11), тем не менее водораздела между ре­лятивистской формулой Е0 = mс2 и дорелятивистской формулой Е = mс2 он не проводит, а в статье [11] «О влиянии силы тяжести на распростра­нение света» он пишет: «...Если приращение энергии составляет E, то приращение инертной массы равно Е/с2».

В конце 10-х годов существенную роль в создании современного еди­ного четырехмерного пространственно-временного формализма теории относительности сыграли работы Планка [12, 13] и Минковского [14]. Примерно в то же самое время в статьях Льюиса и Толмена [15, 16] на трон теории относительности была окончательно возведена «дорелятивистская масса», равная Е/с2. Она получила титул «релятивистской мас­сы» и, что самое печальное, узурпировала имя просто «массы». А истин­ная масса попала в положение Золушки и получила кличку «масса по­коя». В основу работ Льюиса и Толмена легли ньютоново определение импульса р = mv и закон сохранения «массы», а по существу закон со­хранения энергии, поделенной на с2.

Поразительно, что в литературе по теории относительности описан­ный нами «дворцовый переворот» остается незамеченным, и развитие теории относительности изображается как логически последовательный процесс. В частности, физики-историки (см., например, книги  [3, 7, 17, 18]) не отмечают принципиального различия между статьей Эйнштейна [8], с одной стороны, и статьями   Пуанкаре [4] и Эйнштейна [9] - с другой.

Как-то мне попалась на глаза карикатура, изображавшая процесс научного творчества. Ученый, со спины похожий на Эйнштейна, пишет, стоя у доски. Он написал Е = 2 и перечеркнул косым крестом, ниже – Е = mb2 и снова перечеркнул косым крестом, и, наконец, еще ниже Е = 2. При всей своей анекдотичности, этот рисунок, может быть, ближе к истине, чем хрестоматийное описание процесса научного творчества как непрерывного логического развития.

Я не случайно упомянул Золушку. Масса, растущая со скоростью, - это было по-настоящему непонятно и символизировало глубину и вели­колепие науки и завораживало воображение. Что по сравнению с ней обычная масса, такая простая, такая понятная!

16. Тысяча и две книги

Название этого раздела условно в том смысле, что полное число книг, обсуждающих теорию относительно­сти, мне неизвестно. Наверняка оно превосходит несколько сотен, а воз­можно, и тысячу. Но две книги, появившиеся в начале 20-х годов, необ­ходимо выделить особо. Обе они очень знамениты и почитаются не одним поколением физиков. Первая - энциклопедическая  монография 20-летнего студента Вольфганга Паули «Теория относительности» [19], вышедшая в 1921 г. Вторая - «Сущность теории относительности» [20], опубликованная в  1922 г. самим создателем специальной и общей тео­рии - Альбертом Эйнштейном. Вопрос о связи энергии и массы в этих двух книгах изложен кардинально по-разному.

Паули решительно отбрасывает, как устаревшие, продольную и по­перечную массы (а с ними и формулу F = ), но считает «целесообраз­ным» пользоваться формулой р = mv, а следовательно, и понятием мас­сы, зависящей от скорости, которому он посвящает ряд параграфов. Много места он уделяет «закону эквивалентности массы и энергии» или, как он его называет, «закону инертности энергий любого вида», согласно которому «всякой энергии соответствует масса m = Е/с2».

В отличие от Паули, Эйнштейн буквой m называет обычную массу. Выражая через m и скорость тела четырехмерный вектор энергии-им­пульса, Эйнштейн затем (рассматривает покоящееся тело и приходит к заключению, «что энергия Е0 тела в состоянии покоя равна его массе». Следует заметить, что выше в качестве единицы скорости он принима­ет с. Далее он пишет: «Если бы мы выбирали в качестве единицы вре­мени секунду, мы получили бы

Е0 = 2.                                                                  (44)

Масса и энергия, таким образом, сходны по существу - это только различные выражения одного и того же. Масса тела не постоянна; она меняется с его энергией». Однозначный смысл двум последним фразам придают вводные слова «таким образом» и то обстоятельство, что они следуют непосредственно за уравнением Е0 = 2. Итак, массы, зависящей от скорости, в книге «Сущность теории относительности» нет.

Возможно, что если бы Эйнштейн более подробно и последовательно прокомментировал свое уравнение Е0 = 2, то уравнение Е = 2 исчез­ло бы из литературы уже в 20-х годах. Но он этого не сделал, и боль­шинство последующих авторов пошли вслед за Паули, и масса, зависящая от скорости, заполонила большинство научно-популярных книг и брошюр, энциклопедий, школьных и вузовских учебников по общей фи­зике, а также монографии, в том числе и книги выдающихся физиков, специально посвященные теории относительности.

Одной из первых учебных монографий, в которой теория относи­тельности была изложена последовательно релятивистски, была «Теория поля» Ландау и Лифшица [22]. За ней последовал ряд других книг.

Важное место в последовательно релятивистском четырехмерном формализме квантовой теории поля занял метод диаграмм Фейнмана, созданный им в середине этого столетия [23]. Но традиция использова­ния массы, зависящей от скорости, оказалась столь живучей, что в своих знаменитых лекциях, опубликованных в (начале 60-х годов [22], Фейнман положил ее в основу глав, посвященных теории относительности. Правда, обсуждение массы, зависящей от скорости, заканчивается в главе 16 такими двумя фразами:

«Как это ни странно, формула m = m0/ очень редко упо­требляется. Вместо этого незаменимыми оказываются два соотношения, которые легко доказать:

E2p2c2 = M02c4 (16.13)

и                     рс = Ev/c ».                                                               (16.14")

В последней лекции, опубликованной при его жизни (она прочита­на в 1986 г., посвящена Дираку и называется «Почему существуют анти­частицы») [24] Фейнман не упоминает ни о массе, зависящей от скоро­сти, ни о массе покоя, а говорит просто о массе и обозначает ее m.

17. Импринтинг и массовая культура

Почему формула m = Е/с2 так живуча? Полного объяснения я дать не могу. Но мне кажется, что раковую роль тут  играет  научно-популярная литература. Именно из нее мы черпаем наши первые впечатления о теории относи­тельности.

В этологии есть понятие импринтинга. Пример импринтинга - на­учение цыплят следовать за курицей, происходящее в течение короткого периода после их рождения. Если в этот период цыпленку подсунуть дви­жущуюся детскую игрушку, он в дальнейшем будет следовать за игруш­кой, а не за курицей. Из многочисленных  наблюдений  известно,   что результат импринтинга не поддается в дальнейшем изменению.

Конечно, дети, а тем более юноши, не цыплята. И, став студентами, они могут выучить теорию относительности в ковариантной форме, так сказать, «по Ландау и Лифшицу» без массы, зависящей от скорости и всей сопутствующей ей нелепицы. Но когда, став взрослыми, они принимаются писать брошюры и учебники для юношества, вот тут и сра­батывает импринтинг.

Формула Е = 2 уже давно стала элементом массовой культуры. Это придает ей особую живучесть. Садясь писать о теории относительности, многие авторы исходят из того, что читатель уже знаком с этой формулой, и стараются использовать это знакомство. Так возникает са­моподдерживающийся процесс.

18. Почему плохо называть массой  Е/с2

Иногда   кто-нибудь из моих друзей-физиков говорит мне: «Ну что ты привязался к этой релятивистской массе и массе покоя? В конце концов, от того, что некую комбинацию букв обозначат какой-то одной буквой и назовут каким-нибудь словом или двумя, ничего страшного произойти не может. Ведь даже пользуясь этими, пусть архаичными, понятиями, инженеры правильно рассчитывают релятивистские ускорители. Главное, чтобы в формулах не было математических ошибок».

Конечно, можно пользоваться формулами и не понимая полностью их физического смысла, и можно делать правильные расчеты, имея ис­каженное представление о сути науки, которую эти формулы представ­ляют. Но, во-первых, искаженные представления могут рано или поздно привести к ошибочному результату в какой-нибудь нестандартной си­туации. А, во-вторых, ясное понимание простых и красивых основ науки важнее, чем бездумная подстановка чисел в формулы.

Теория относительности проста и прекрасна, а ее изложение на язы­ке двух масс запутано и безобразно. Формулы Е2 - p2 = m2 и p = Еv (я пользуюсь сейчас единицами, в которых с = 1) являются одними из самых ясных, красивых и мощных формул физики. Вообще, понятия лоренцева вектора и лоренцева скаляра очень важны, поскольку они отра­жают замечательную симметрию природы.

С другой стороны, формула Е = m (я опять полагаю с = 1) безобраз­на, поскольку представляет собой крайне неудачное обозначение энер­гии Е еще одной буквой и термином, причем буквой и термином, с кото­рыми в физике связано другое важное понятие. Единственным оправда­нием этой формулы является оправдание историческое: в начале века она помогла творцам теории относительности создать эту теорию. В исто­рическом плане эту формулу и все, связанное с ней, можно рассматри­вать как остатки строительных лесов, использовавшихся при построй­ке прекрасного здания современной науки. А если судить по лите­ратуре, то сегодня она выглядит чуть ли не как главный портал этого здания.

Если первый аргумент против Е = 2 можно назвать эстетическим: «прекрасное против безобразного», то второй можно назвать этическим. Обучение читателя этой формуле обычно сопряжено с тем, что его обма­нывают, скрывая от него, по крайней мере, часть истины и провоцируя в его уме неоправданные иллюзии.

Во-первых, от неопытного читателя скрывают, что формула эта ос­нована на произвольном предположении, что ньютоново определение им­пульса р = mv является естественным в релятивистской области.

Во-вторых, у него неявно создают иллюзию, что величина Е/с2 явля­ется универсальной мерой инертности и что, в частности, пропорциональ­ности инертной массы величине v достаточно, чтобы массивное тело нельзя было ускорить до скорости света, даже если его ускорение опре­деляется формулой а = F/m. Но из

dv/dt = (F/m0) (18.1)

следует, что

=
Считая силу F постоянной, мы легко находим, что время Т, за кото­рое тело достигло бы скорости с, равно

T = m0/2Fc.                                                            (18.3)

Этот ошибочный результат  связан с тем, что в формулу а = F/m надо подставлять не «релятивистскую массу», а «продольную массу», пропорциональную , про которую современные авторы, как правило, не вспоминают.

В-третьих, читателю внушают иллюзию, что величина Е/с2 является универсальной гравитационной массой. В действительности, как мы ви­дели, в релятивистском случае, в отличие от нерелятивистского, универ­сальной гравитационной массы нет: сила, действующая на горизонталь­но летящий фотон, в 2 раза больше, чем на летящий вертикально.

В-четвертых, называя эту формулу именем Эйнштейна, от читателя скрывают истинную формулу Эйнштейна: Е0 = mс2.

Третий аргумент можно назвать философским. Ведь на дефиниции Е = 2 основаны десятки страниц глубокомысленных философских рас­суждений о полной эквивалентности массы и энергии, о существовании единой сущности «масс-энергий» и т.д., в то же время, согласно теории относительности, действительно, любой массе отвечает энергия, но от­нюдь не наоборот: не любой энергии отвечает масса. Так что полной эквивалентности массы и энергии нет.

Четвертый аргумент - терминологический. Литература по теории относительности содержит такую путаницу в обозначениях и терминоло­гии, что напоминает город, в котором транспорт подчиняется одновре­менно правилам и правостороннего, и левостороннего движения. Напри­мер, в Большой Советской Энциклопедии, в различных физических энциклопедиях и справочниках буквой m обозначают массу и релятивист­скую массу; обычную массу иногда называют массой, но чаще массой покоя, релятивистскую массу называют также массой движения, но час­то называют просто массой. В одних статьях авторы придерживаются в основном последовательно релятивистской терминологии, в других - по­следовательно архаичной. Трудно придется начинающему читателю, который захочет сопоставить, скажем, статью «масса» со статьей «от­носительности теория».

То же смешение обозначений и терминов можно найти и во многих учебниках и монографиях. И вся эта путаница процветает в то время, как в теории относительности по существу есть всего лишь один термин: масса, а все остальные - «от лукавого».

Пятый аргумент - педагогический. Ни школьник, ни школьный учи­тель, ни студент младших курсов, который догматически заучил, что масса тела растет с его скоростью, не сможет по-настоящему понять сущ­ность теории относительности, если не потратить затем значительных усилий на его переучивание.

Тот, кто в дальнейшем не стал профессиональным физиком-реляти­вистом, как правило, имеет самые превратные представления о массе и энергии. Порою формула m = m0/(1-v2/C2)1/2 является единственным, что остается у них в памяти, наряду, разумеется, с формулой Е = 2.

Ясно, что любой самостоятельно думающий ученик должен испыты­вать интеллектуальный дискомфорт, изучая по стандартному школьно­му учебнику теорию относительности.

19. «Папа, а масса действительно зависит от ско­рости?»

Так называется статья К. Адлера [25], опубликованная в «Американском журнале физики» в 1987 г. Вопрос, вынесенный в загла­вие, был задан автору его сыном. Ответ был: «Нет!», «Впрочем, да», «На самом деле нет, но не говори об этом своему учителю». На следующий день сын прекратил заниматься физикой.

К. Адлер пишет, что понятие релятивистской массы с каждым годом играет всё меньшую роль в преподавании специальной теории относи­тельности. Он иллюстрирует это утверждение цитатами из четырех по­следовательных изданий широко распространенного в США учебника «Университетская физика», с 1963-го по 1982 г.

Говоря о взглядах Эйнштейна, Адлер приводит отрывок из неопуб­ликованного письма Эйнштейна Линкольну Барнетту, написанного в 1948 г.:

«Нехорошо вводить понятие массы тела m = m0/(1-v2/C2)1/2 , для которого нельзя дать ясного определения. Лучше не вводить никакой другой массы, кроме «массы покоя» m. Вместо того, чтобы вводить М, лучше привести выражение для импульса и энергии движущегося те­ла».

В историческом плане Адлер рассматривает релятивистскую массу как наследие прорелятивистских теорий Лоренца и Пуанкаре. Он дает критику этого понятия и выражает оптимизм в связи с уменьшением его распространенности.

20. «Физика в школе».

Так случилось, что в том же 1987 г., когда вышла статья Адлера, мне пришлось работать в составе комис­сии, которую создало бывшее Министерство просвещения СССР для определения победителей всесоюзного конкурса на лучшие учебники по физике. Ознакомившись примерно с двумя десятками представленных учебников, я был поражен тем, что во всех них масса, зависящая от скорости, трактовалась как один из центральных пунктов теории отно­сительности.

Мое удивление еще больше возросло, когда обнаружилось, что большинство членов комиссии - педагоги и методисты - вообще не слы­шали о том, что существует какая-то иная точка зрения. В импровизи­рованном коротком докладе я рассказал им о двух основных формулах

E2 - р2с2 = m2с4 и р = (E/с2)v. И тогда кто-то из них сказал: «Теперь об этом знаете Вы и знаем мы, но больше никто не знает. Вы должны написать статью о массе для журнала «Физика в школе». Тогда об этом узнают 100000 школьных учителей физики».

Я несколько легкомысленно, как выяснилось впоследствии, заверил их, что все изложенное мною известно не только всем физикам-профес­сионалам, но и студентам непедагогических вузов. Но написать статью обещал.

Через несколько дней, встретив на очередном заседании комиссии заместителя главного редактора журнала «Физика в школе», я рассказал ей о возникшем предложении и спросил её, готов ли журнал зака­зать мне статью о понятии массы в теории относительности. Ответа не было месяца два, а потом моя собеседница позвонила мне и оказала, что редколлегия решила такую статью не заказывать. Видимо, сработал импринтинг, о котором я писал выше.

Этот отказ только укрепил мое убеждение в необходимости такой статьи. Работая над ней, я изучил более ста книг и около полусотни ста­тей. Увидел, что школьные учебники не намного хуже вузовских, заин­тересовался историей вопроса. Материал разрастался, работа затяги­вала меня. И конца ей видно не было.

И тогда я решил сесть и написать этот краткий текст, отложив в отдельную папку подробный список литературы и листки с разбором различных статей и книг.

Время не ждет. Ежегодно миллионами экземпляров тиражируются книги, которые вбивают в головы   подрастающих  поколений   ложные представления о теории относительности. Этот процесс необходимо оста­новить.

Я благодарен членам конкурсной комиссии, инициировавшим напи­сание этой статьи. Я также благодарен за полезные обсуждения и заме­чания   Б.М. Болотовскому, М.Б. Волошину, П.А. Крупчицкому, И.С. Цукерману.

 

Список литературы.

1.  Thomson J.J. // Phil. Маg. 1881, v.11, p.229.

2. Еinstein А. // Аnn. d. Рhys., 1905, bd.17, s.891; перевод: Эйнштейн А. Собра­ние научных трудов. М.: Наука, 1965, т.1, с.7 (далее цит. как СНТ).

3. Pais А., Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Охford: С1аrеndon Ргеss, 1982.

4. Роincare Н. // Lorentz Festschrift. Аrchieve Neerland, 1900, v.5, p.252.

5. Lorentz H. // Prос. Rоу. Асаd. Sсi. Аmsterdam, 1899, v.1, p.427.

6. Lorentz Н. // Ibidem, 1904, v.6, p.809;   переводы: // 1) Принцип относительности: Сб. работ классиков релятивизма / Г.А. Лоренц, А. Пуанкаре, А. Эйн­штейн, Г. Минковский. Под ред. В.К. Фредерикса, Д.Д. Иваненко. Л.: ОНТИ, 1935, с.76;  2) Принцип относительности: Сб. работ по специальной теории относительности / Сост. А.А. Тяпкин. М.: Атомиздат, 1973, с.67.

7. Мiller А.I., Аlbert Еinstein’s Sресial Тheory оf Relativity: Emergence (1905) and Early Interpretation (1905-1911). Аddison-Wesley, 1981.

8. Еinstein А. // Аnn. d. Рhys., 1905, bd.18, s.639; перевод: // СНТ, 1965, т.1, с.36.

9. Еinstein А. // Ibidem, 1906, bd.20, s.371; перевод: // Ibidem [8], с.39.

10. Еinstein А. // Ibidem, 1907, bd.23, s.371; перевод: // Ibidem, с.53.

11. Еinstein А. // Ibidem, 1911, bd.35, s.898; перевод: // Ibidem, с.165.

12. Рlanck М. // Verhandl. Deutsch. Phus. Ges., 1906, bd.4, s.136; перевод :// Планк М. Избранные труды. М.: Наука, 1975, с.445.

13. Рlanck М. // Sitzungsber. Акаd. Wiss. Berlin, 1907, bd.13, s.542;  перевод:// Ibidem [12], с.467.

14. Мinkowski Н. // Рhys. Zs., 1909, b.20, s.104; переводы: // как для работы [6], с. 181; 167.

15. Lewis G., Tolman R. // Рhil. Mag., 1909, v.18, p.510.

16. Tolman R. // Рhil. Mag., 1912, v.23, p.375.

17. Jammer М., Соncepts of Маss in Сlassical аnd Моdern Рhysics, Саmbridge: Harvard Univ. Press. 1961; перевод: Джеммер М. Понятие массы в классиче­ской и современной физике / пер. и комментарии Н.Ф. Овчинникова. М.: Про­гресс, 1967.

18. Whittaker E.A., History of the Theories of Aether and Electricity, v.2, London: Nelson, 1953;  перевод: // как для работы [6],  2) с.205. Обсуждение вопроса о массе см. с.226 и далее.

19. Раuli W., Relativitats Theorie // Encykl. Math. Wiss., bd.19, Leipzig: Teubner, 1921; переводы: // Паули В. Теория относительности. М.; Л.: Гостехиздат, 1947; Пер. с нем. В.Л. Гинзбурга, Л.М Левина. М.: Наука, 1973, 2-е изд. исправлено и дополнено по англ. изданию 1958 г.

20. Еinstein А., The Meaning of Relativity: Four Lectures Delivered at Princeton Univerisity, may 1921;  перевод: // СНТ, т.2, с.5;  кроме того перевод этой книги вышел отдельным изданием: Эйнштейн А. Сущность теории относитель­ности. М.: ИЛ, 1955.

 

21. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.,  Теория  поля. М.: Гостехиздат, 1955.

22. Feynman R. // Рhys. Rev., 1949, v.76, p.749, 769; переводы: // Новейшее разви­тие квантовой электродинамики / пер. А.М. Бродского под ред. Д.Д. Иваненко. М.: ИЛ, 1954, с.138, 161.

23. Feynman R., Leighton R., Sands M., Тhе Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley, 1963,     1964, v.1. Сhs.15, 16; v.2.  Сh.28; перевод: Фейнман, Лейтон, Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. М., 1961-1966, вып.2, гл.15, 16; вып.6, гл.28.

24. Reynman R.P. // The reason for antiparticles // Elementary Particles and the Laws of Physics; The 1986. Dirac Memorial Lectures, Cambridge; New York; New Rochelle; Melbourne: Sydney: Cambridge Univ. Press, 1987, p.1; перевод: // УФН, 1989, т.157, с.163.

25. Adler C. // Аm. J. Phys., 1987, v.55, p.739.

26. Еinstein А., Autobiographical Notes // Albert Еinstein: Philosopher-Scientist / Ed. By P.A. Schlipp. Evanston, 1949; перевод: // СНТ, 1966, т.4, с.259.

Справка:

Окунь Лев Борисович (1929 г.р.), доктор физико-математических наук (1961), профессор (1962), академик РАН (1990). Окончил Московский инженерно-физический институт (1953). С 1954 г. начальник теоретической лаборатории ГНЦ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Минатома России. В 1956 защитил кандидатскую диссертацию, в 1961 - докторскую, член-корреспондент АН СССР (1966), с 1967 - профессор МИФИ. Основные труды по теории элементарных частиц (теория слабых взаимодействий, составные модели элементарных частиц и др.).

Tags: , , ,

37 Responses to Лев Окунь. Масса, энергия, относительность

  1. Alexandr on 02/06/2012 at 15:50

    Уважаемый мистер Окунь.
    Вы поймите, материя не имеет массы. Она может иметь только вес, обусловленный гравитационным притяжением. Или точнее, вес тела определяется гравитационным потенциалом -положением его в гравитационном поле тяготеющего тела. 
    Если бы материя имела массу, то тела различной массы падали бы с разными ускорениями, пропорциональными этой массе. Но, как видите, тела падают с одинаковым ускорением, так как скорость их падения зависит только лишь от  разности гравитационного потенциала.
    На одной и той же высоте, разность гравитационного потенциала для любых тел, независимо от их величины, одинакова, поэтому они падают с одинаковым ускорением.
    А теория относительности, это просто математическая модель, не имеющая никакого отношения к реальности. Математика - это просто краткий язык описания, а языком, как известно, можно описать как физическую реальность, так и накропать фантастический рассказ.

    • Прохожий on 28/01/2014 at 02:27

      Уважаемый мистер Александр. Судя по комментарию, Вы человек от физики далёкий, с терминологией не знакомый. Утверждения Ваши отрывочны, логические цепочки разорваны (построены по типу "в огороде бузина..."). С идеей, что понятие массы лишнее, можно было бы согласиться, если бы существовало только гравитационное взаимодействие. А поскольку в мире есть другие силы, не связанные с гравитацией, мы вынуждены ввести понятие массы. ТО имеет к реальности самое непосредственное отношение - она её описывает (на уровне инженерной науки). Многие несведущие люди полагают, что это лишь красивая гипотеза, сказка для "малышей", но они ошибаются. Единственная здравая мысль - в последнем предложении Вашего комментария.

  2. AlexandrKor on 04/07/2012 at 14:39

    Проделайте эксперимент, который кроме меня никто не делал. фиксируйте движение крутильного маятника, подвешенного на тонкой упругой нити. Маятник длиной порядка 2 метра и на концах которого расположены массы порядка от 100 гр до 1 кг.
    Я снимаю вращение маятника на видио, предварительно отклонив от положения равновесия на разные большие углы.
    Я получил полное соглассие с моими обощениями уравнения движения Ньютона, откуда следовало, что сила инерции реальна, перемена и меняется от нуля до величины внешней силы, создающей крутильный момент. Это главное достижение, опровергающее физику Ньютона и современной физике и требующее смену парадигмы на прямо противоположную.

    • Прохожий on 28/01/2014 at 02:32

      Вы себе льстите: опыты с крутильными маятниками ставили очень многие. В них нет ничего загадочного - они полностью согласуются с классической ньютоновой механикой. А люди, ежедневно производящие точнейшие тонкие технические расчёты по формулам физики Ньютона, над Вашим требованием "смены парадигмы" только посмеются? Что предлагаете взамен, пшик?

  3. Роман Филенко on 06/09/2012 at 11:59

    Хорошая статья, но уж больно долго читать -школьник не осилит :)
    Создание единого понятийного аппарата актуально вообще для всех областей науки. Сейчас работая в области дизайна столкнулся с подобной проблемой в описании термина "композиция". В западной литературе его вообще заменяют словом "дизайн". Причина - там много бакалавров. Что же нас в скором времени ждет?...

    • Прохожий on 28/01/2014 at 02:33

      А статья, честно говоря, не для школьников, а из академического журнала УФН. Рассчитана скорее на преподавателей физики.

  4. Анатолий on 04/11/2012 at 14:59

     Опыты профессора АЛ Дмитриева показывют, что увеличение температуры образца (у Вас утюга), обуславливают уменьшение его массы. Они подтверждают правилность теории теплогравитации, которая впервые опубликована на форуме "Классическая гравитация".

    • Прохожий on 28/01/2014 at 02:38

      Уважаемый Анатолий! Опыты профессора А.Л. Дмитриева показывают лишь неумение экспериментатора учесть все существенные факторы, правильно их проанализировать и исключить нежелательные. Так называемая теория теплогравитации способна "объяснить" отдельные некорректно поставленные эксперименты, а между тем её авторы претендуют на всеобщую применимость "теории". Не серьёзно.

  5. Алексей on 20/04/2014 at 02:00

    Спасибо за статью, стало ясней!
    1 Всегда чувствовал что формулы (5.1)(5.2) более важны.
    2 Уяснил для себя, что гравитирующая масса фотонов вещь непостоянная.
    3 И все же, допустим, в зеркальном ящике электрон и позитргон анигилировали в первом случае поперечно во втором продольно. Будет ли притяжение ящика для меня разным ? Или удаляющийся фотон не вносит гравитационной массы, а приближающийся имеет двойную?

  6. роткив on 14/06/2014 at 23:48

    у меня нет слов.

  7. роткив on 31/10/2014 at 16:54

    масса по Эйнштейну эквивалентна заключенной в ней энергии и из этого вы определили связи в ядерной физике-дальше что?,чтобы ее разогнать-эту массу, мощей у вас ребята не хватит ,по физике движений это голимый абсурд в оценке,что такое энергия и в каких вселенских форматах или асимметриях она должна проявляться,как решение.

  8. mord08 on 12/12/2014 at 10:10

    Хотелось бы задать вопрос прохожему. Правда, не один, как оказалось. 1. Из статьи следует, что с самого начала появления ТО, которую Эйнштейн создавал, расширяя математику Лоренца в область филисофского осмысливания действительности (не места для подробностей и не в этом суть вопроса), она не встретила понимания и уже сотню лет ее пытаются разными способами дискредитировать. И бессмысленными опытами, бессмысленными, так как находясь в пространстве определенной мерности принципиально невозможно обнаружить его искривление в пространстве большей мерности, и даже, как, к примеру, поступает Автор этой статьи, доводя ТО до полного абсурда. (Направление ускорения МОЖЕТ не совпадать с направлением приложенной силы) и находя в том аргумент, подтверждающий недопустимость использования Лоренцем математики Ньютона. Как Вы думаете, в чем причина длящегося уже сотню лет непонимания ТО? Кто же, все-таки, по Вашему, прав, Лоренц, Эйнштейн, Пуанкаре..., или авторы, подобные этому? И последнее, но самое важное. Как Вы думаете почему масса в физике частиц ПРИВЫЧНО измеряется в энергетических единицах (Эл.-вольт), а частицы безмассовые все-таки обладают кинетической энергией? Ньютон в микромире не прав, или наука ушла далеко в сторону от Лоренца, Эйнштейна и других мыслителей того времени? Спасибо.

    • роткив on 25/12/2014 at 18:45

      Уважаемый товарищ, в общем вселенском движняке единственный вариант,что либо приостановить это сравнение-двух основных величин,а дальше это все взаимодействующие композиции. то есть сейчас главная определяющая человеческая задача-теория относительности с ее точками отчетов,сюда вы все вплетаете и гравитацию с ее разновидностями показателей реакций, связанные с обозначением материальности ее эквивалентностью и связями,то бишь весь ваш математический,механический мир,с плоскостями и соответственно координатами, определяющий функционально от них показателя движняка точки. вот и все.а дальше тупик-сингулярность или космологическая постоянная,а что за ней одни догатки,так как вы не знаете, на что дальше опираться.вам трудно понять,что существуют этапы научного познания и применимости,то есть ниша,которую надо закрывать и открывать новую и не тянуть туда старую,как основу и пытаться вплести,она нужна,но у ней свой уровень разрешимости и точности по базовым составляющим. в новом разделе отсутствует эмпиризм и энтропия допускающая вольности. это я вам,как двоечник пишу с не забитыми мозгами.желаете колбасить друг друга,кто там когда-то предполагал,но эмпиризм,как был так и остался,как основной метод познания. дальше что,Эйнштейн допер на закате лет,а вы не заметили. красиво теория относительности,кривизна пространства и времени,эквивалентность,и всего много впечатляющего.повторяю в базе возникновения природа проста,как правда,а вот дальше, это точно мозгов не хватит.

  9. Алексей on 09/03/2016 at 06:16

    Абсурд бесконечного роста массы при приближении ее к скорости света, был выявлен на коллайдере.Мощные поворотные магниты ,сделанные из расчета роста массы при околосветовых скоростях оказались фактически ненужными.
    Я всегда говорил,про эту глупость Энштейна, лепить лоренц-фактор к массе.
    Да ,появляется центробежная сила при движении по кольцу,но для поворота банча не требуется таких сверхмощных магнитов,которые там были установлены.
    Кстати банчи почемуто не сокращали свою длину.
    Следовательно и сокращение длины на лоренц-фактор можно выкинуть из физики.

    • admin
      admin on 09/03/2016 at 11:54

      Ну, про массу и у Окуня хорошо написано. А вот на счет сокращения длины - совершенная глупость. Во всяком случае, у меня так не получается. А про бесполезность магнитов кто-то писал? Вот бы ссылочку.

  10. Алексей on 09/03/2016 at 14:15

    Нет,про бесполезность сверхмощных магнитов это моя догадка,и про это никто не напишет.Анализируя информацию да и сопоставив некоторые факты,можно догадаться,с чего вдруг появилась статья Окуня.
    Теперь по замедлению времени.
    Простой эффект Доплера доказывает,что замедление времени это иллюзия,такая же ,как и фактическое сокращение размеров двигающегося тела.
    С точки зрения пассажира,стоящего на перроне,часы на приближающемся поезде идут быстрее его собственных(частота сигнала увеличена) Когда поезд удаляется,часы на нем идут медленнее(частота сигнала уменьшена)
    Но ведь частота сигнала фактически не менялась.

    • admin
      admin on 09/03/2016 at 14:24

      А вот замедление собственного времени движущегося объекта у меня как раз получается. И никакие точки зрения наблюдателя тут ни при чем. Физика остается физикой и безо всякого наблюдателя.
      У меня это здесь http://victorpetrov.ru/viktor-petrov-o-kvantovojj-gravitacii-i-temnojj-materii.html
      4. Движение устойчивой структуры фотонов.

  11. Алексей on 10/03/2016 at 06:23
  12. Алексей on 10/03/2016 at 09:23

    Если пропустить всю эту галиматью с аннигиляцией и рождением адронов из вакуума,то можно сказать ,что пионы ,мюоны,протоны,нейтроны рождаются из позитронов и электронов.
    Зачем придумывать рождение из вакуума,когда сталкиваются конкретно банчи электронов и позитронов,вот из них и рождаются струи адронов.
    Для рождения одного нейтрона(1838 м.э.) нужно 919 позитронов и 919 электронов.

  13. Алексей on 10/03/2016 at 10:38

    Похоже все забыли,что масса веществ, полученных в результате реакции, равна массе веществ вступивших в реакцию.
    10 кг дров сгорело ,в результате мы получили в сумме 10 кг золы,углекислого газа,паров воды.и плюс энергию в чистом виде (как говорит конскир ) кучу тепла в виде ЭМИ.
    Можно ли из двух масс позитрона и электрона получить хотя бы один протон
    (1836 м.э.)?

    • admin
      admin on 10/03/2016 at 14:15

      Это, смотря как их разогнать. Распадаются же они на два гамма-кванта - чистая энергия, как говорит консткир.

  14. Алексей on 10/03/2016 at 10:49

    Это факты к статье.
    В атомной бомбе трудно посчитать продукты взрыва,в ТВЭЛе можно.
    ТВЭЛ выделяет тепловое ЭМИ в течение 1,5-2лет.
    И масса его остается такой же,что и до установки в реактор,правда объем вещества в нем увеличивается,поскольку из изотопа урана 235 при распаде ядра появляется много других химических элементов.

  15. Алексей on 10/03/2016 at 11:02

    Про нейтрино,имеют массу покоя,летят со скоростью света в гранитном массиве(скандал недавний в Италии по поводу превышения ими скорости света)
    Говорят огромное их количество вырабатывает Солнце,но случаи взаимодействия с хлором единичные(получается Аргон).
    Т.е. фактически любое тело или частица,летящая с около световой скоростью не будет взаимодействовать с холодными нейтрино,даже если их будет очень много -нейтринный газ.Куда делись нейтрино ,образующиеся во вселенной с момента ее образования?

  16. Алексей on 10/03/2016 at 14:58

    Да,этот факт я знаю.фиксируют гамма-квант при соединении электрона и позитрона,также как фиксируют взрыв при соединении кислорода с водородом,и вспышку света.Но если воду можно увидеть ,то как обнаружить нейтральную частицу ,полученную при соединении позитрона и электрона?
    Холодный нейтрон,обнаружить невозможно,пока не распадется.

  17. Алексей on 19/03/2016 at 04:22

    Частота красного фотона 5 • 1014 Гц.Это значит в самом фотоне при полете существует периодический процесс.который согласно СТО должен замедлиться в ноль.Но фотон существует только благодаря переходу электрического поля в магнитное и наоборот.Как это понимать?

    • admin
      admin on 19/03/2016 at 13:49

      Это надо понимать так, что никто пока не знает, что такое фотон.

  18. Алексей on 19/03/2016 at 05:17

    Кроме того,фотон имеет некоторую длину,поскольку излучается не мгновенно,следовательно,сокращается размер ,согласно СТО, что лишает фотон длины волны.
    Исходя из этих соображений можно выкинуть следствия СТО о сокращении размеров тел и замедлении времени на летящих телах.

    • admin
      admin on 19/03/2016 at 13:50

      У меня тоже не получается сокращение размера.

  19. Алексей on 19/03/2016 at 06:51

    Это для BOBа ,впрочем, можете удалить этот пост.
    http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/m027.htm
    Это путь нейтронизации вещества,охлаждение до нуля Кельвина.
    И соответственно сжатие и втискивание электрона в ядро.Горячий электрон втиснуть не получится,В крайнем случае энергии потребуется гораздо больше,чем для втискивания холодного электрона.
    Захвату протоном электрона противостоит отрицательный d-кварк.
    Надо сблизить электрон с протоном так,чтобы 2 u-кварка захватили электрон.
    Такой процесс называется К-захват.когда электрон захватывается протоном ядра,и превращается в нейтрон,а атом смещается на одну клетку влево в Таблице Менделеева.

    • admin
      admin on 19/03/2016 at 13:54

      Втиснуть электрон в протон не удастся никак. Если, например, протон рассматривать шариком, радиусом 1 сантиметр, то электрон будет шариком радиусом 13 метров. А вот передать энергию электрона протону, чтобы тот превратился в нейтрон, наверное возможно.

  20. Алексей on 19/03/2016 at 16:48

    Есть факт, что электрон захватывается протоном ядра,причем в обычных условиях, и превращается в нейтрон,как это происходит остается только гадать.Нейтрон образует стабильную пару только с протоном.Два нейтрона образуют нестабильную пару,почему?Почему ядерные силы держат протон и нейтрон,но не держат два нейтрона.Почему изотопы с избытком нейтронов нестабильны?Вопросов больше,чем ответов.

  21. Алексей on 19/03/2016 at 16:56

    (u-d-u)-протон заряд+1
    Если втиснуть электрон,получится параллелограмм в вершинах по диагонали u-кварки,по другой диагонали d-кварк и электрон.суммарный заряд=0
    Нейтрон.

  22. Алексей on 19/03/2016 at 17:00

    Нейтронная звезда,так предполагают ,получается втискиванием всех электронов атома в ядро,с переходом всех протонов ядра в нейтроны.

  23. Алексей on 27/03/2016 at 10:26

    Луч света краснеет во время путешествия в результате расширения Вселенной и соответственно удлиняет свою волну.
    Хотелось бы увидеть механизм удлинения волны непосредственно фотона.
    Фотон летит в пустом пространстве.что заставляет его увеличивать длину волны?
    Если увеличивается расстояние между источником и приемником (расширение пространства),то должно увеличиваться время путешествия фотона,но никак его частота.

    • admin
      admin on 27/03/2016 at 15:28

      Да. Мне тоже хочется увидеть этот механизм.

  24. Ant on 05/03/2017 at 02:27

    увидеть этот механизм. ?! . . .

    • admin
      admin on 05/03/2017 at 03:34

      А чему Вы так удивились?

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

amplifier for 8 speakers
Алёна Петрова

ПОПУЛЯРНЫЕ

Май 2017
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Апр    
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  
В началоВ начало
sonos multi-room music system zonebridge br100 sonos multi room music system zoneplayer zp120 + zp90 sonos multi-room music system zone bridge br100 box multi room speaker system airplay apple multi room speaker system