Учебная работа № 1669. Масса современное понимание

Учебная работа № 1669. Масса современное понимание

Понятие Масса вызывает массу вопросов: Зависит ли масса тел от их скорости? Аддитивна ли масса при объединении тел в систему ( т.е. м12=м1+м2)? Как измерить массу тела в космосе?

Различные преподаватели физики отвечают на эти вопросы поразному, поэтому, не удивительно что первое заповедью молодого специалиста приходящего на работу в НИИ становится «забудьте всё чему учили в школе». На этой странице я познакомлю Вас с точкой зрения специалистов, соприкасающихся с этими вопросами в своей научной работе. Но давайте вначале подробнее остановимся на физическом смысле понятия масса.

Я уже рассказывал о математикогеометрическом толковании массы как искривления геодезических линий четырёхмерного пространства/времени, но в своей работе 1905го года Эйнштейн придал массе и физический смысл, ввёдя в физику понятие энергии покоя.

Сегодня, когда говорят о массе физики имеют ввиду коэффициент определяемый по формуле :

m2=E2/c4p2/c2 (1)

Во всех формулах, используются следующие обозначения (если иное не оговорено):

F сила p импульс Е0 энергия покоя G постоянная тяготения

m масса v cкорость E полная энергия свободного тела с скорость света в вакууме 2.99792458 · 10 8 м/с

а ускорение

Такая масса не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой инерциальной системе. В этом легко убедиться, если использовать для Е и р преобразования Лоренца, где v скорость одной системы относительно другой, и вектор v направлен по оси х:

(2)

Таким образом, в отличие от Е и р, которые являются компонентами 4мерного вектора, масса является лоренцевым инвариантом.

Информация к размышлению :

Преобразование Лоренца подпирает собой весь мир эйнштейновских формул. Восходит оно к теории, предложенной физиком Хендриком Антоном Лоренцом. Суть, вкратце, сводится к следующему: продольные — в направлении движения — размеры быстро движущегося тела сокращаются. Еще в 1909 году известный австрийский физик Пауль Эренфест усомнился в этом выводе. Вот его возражение: допустим, движущиеся предметы, действительно, сплющиваются. Хорошо, проведем опыт с диском. Будем вращать его, постепенно увеличивая скорость. Размеры диска, как говорит гн Эйнштейн, будут уменьшаться; кроме того, диск искривится. Когда же скорость вращения достигнет скорости света, диск попросту исчезнет.

Эйнштейн оказался в шоке, потому что Эренфест был прав. Творец теории относительности опубликовал на страницах одного из специальных журналов пару своих контраргументов, а затем помог оппоненту получить должность профессора физики в Нидерландах, к чему тот давно уже стремился. Эренфест перебрался туда в 1912 году. В свою очередь, со страниц книг о частной теории относительности исчезает упомянутое нами открытие Эренфеста: так называемый парадокс Эренфеста.

Лишь в 1973 году умозрительный эксперимент Эренфеста был воплощен на практике. Физик Томас Э. Фипс фотографировал диск, вращавшийся с огромной скоростью. Эти снимки (сделанные при использовании вспышки) должны были послужить доказательством формул Эйнштейна. Однако с этим вышла промашка. Размеры диска — вопреки теории — не изменились. «Продольное сжатие», возвещенное частной теорией относительности, оказалось предельной фикцией. Фипс направил отчет о своей работе в редакцию популярного журнала «Nature». Та ее отклонила. В конце концов, статья была помещена на страницах некоего специального журнала, выходившего небольшим тиражом в Италии. Однако никто так и не перепечатал ее. Сенсации не произошло. Статья оказалась незамеченной.

Не менее примечательна и судьба экспериментов, в которых пытались зафиксировать замедление времени при движении.

Кстати, из соотношения (1) как раз и получается знаменитое Эйнштейновское выражение для энергии покоя E0=mc2 , (если p=0). . А если принять за единицу скорости скорость света , т.е. положить с = 1, то масса тела равна его энергии покоя. А поскольку энергия сохраняется, то и масса является сохраняющейся величиной, не зависящей от скорости. Вот и ответ на

первый вопрос И именно энергия покоя, «дремлющая» в массивных телах, частично освобождается в химических и особенно ядерных реакциях.

Теперь, давайте рассмотрим вопрос об аддитивности :

Для перехода к другой инерциальной системе отсчёта следует применить преобразования Лоренца к покоящемуся, в первоначальной системе, телу. При этом сразу же получается связь энергии и импульса тела с его скоростью:

(3)

Замечание : Частицы света фотоны — безмассовые. Поэтому из вышеизложенных уравнений следует, что для фотона v = с.

Энергия и импульс аддитивны. Суммарная энергия двух свободных тел равна сумме их энергий (Е = E1 + E2), с импульсом аналогично. Но если подставить эти суммы в формулу (1) мы увидим, что

Суммарная масса оказывается зависящей от угла между импульсами p1 и р2.

Из этого следует, что масса системы двух фотонов, с энергиями Е , равна 2Е/с2, если они летят в противоположные стороны, и нулевая, если они летят в одну сторону. Что очень непривычно для человека, впервые сталкивающегося с теорией относительности, но таков факт! Механика Ньютона, где масса аддитивна, не работает при скоростях, сравнимых со скоростью света. Свойство аддитивности массы следует из формул лишь в пределе, когда v <<c .

Итак, для реализации принципа относительности и постоянства скорости света необходимы преобразования Лоренца, а из них следует, что связь между импульсом и скоростью дается формулой (3), а не формулой Ньютона p = mv.

Сто лет тому назад формулу Ньютона попытались по инерции мышления перенести в релятивистскую физику, и так возникло представление о релятивистской массе , которая растет с увеличением энергии и, следовательно, с возрастанием скорости. Формула m=E/c2 , согласно сегодняшней точке зрения, является артефактом , создавая сумбур в головах : с одной стороны, фотон безмассов, а с другой — у него есть масса.

Почему обозначение Е0 разумно? Потому что энергия зависит от системы отсчета, и индекс нуль в этом случае указывает, что это энергия в системе покоя. Почему обозначение m0 (масса покоя) неразумно? Потому что масса не зависит от системы отсчета.

Вносит свою лепту в возникающую путаницу и утверждение об эквивалентности энергии и массы. Действительно, всегда, когда есть масса, есть и отвечающая ей энергия: энергия покоя E0=mc2. Однако не всегда, когда есть энергия, есть масса. Масса фотона равна нулю, а энергия его отлична от нуля. Энергии частиц в космических лучах или на современных ускорителях на много порядков превышают их массы (в единицах, где с = 1).

Выдающуюся роль в формировании современного релятивистского языка сыграл Р. Фейнман, который в 1950е годы создал релятивистски инвариантную теорию возмущений в квантовой теории поля вообще и в квантовой электродинамике в частности. Сохранение 4вектора энергии импульса лежит в основе знаменитой техники фейнмановских диаграмм, или, как их еще иначе называют, фейнмановских графиков. Во всех своих научных работах Фейнман использовал понятие массы, даваемое формулой (1). Физикам, которые знакомство с теорией относительности начали с Теории поля Ландау и Лифшица, или научных статей Фейнмана, уже не могла прийти в голову мысль называть массой тела энергию, деленную на с2 , однако в популярном изложении (включая знаменитые Фейнмановские лекции по физике) этот артефакт остался. И это очень прискорбный факт, частичное объяснение которого, как мне кажется, надо искать в том, что даже величайшие физики, переходя от научной деятельности к просветительской, пытаются приспособиться к сознанию широкого круга читателей, воспитанного на m=E/c2

Именно для того, чтобы избавиться от подобных «ляпов», необходимо, чтобы в учебной литературе по теории относительности была принята единая современная научная терминология. Параллельное использование современных и давно устаревших обозначений и терминов напоминает о марсианском зонде, который разбился в 1999 г. изза того, что одна из фирм, участвовавших в его создании, использовала дюймы, в то время как остальные — метрическую систему

Сегодня физика вплотную подошла к вопросу о природе массы как истинно элементарных частиц, таких как лептоны и кварки, так и частиц типа протона и нейтрона, называемых адронами. Этот вопрос тесно связан с поисками так называемых хиггсовых бозонов и со структурой и эволюцией вакуума. И здесь слова о природе массы относятся, разумеется, к инвариантной массе т, определенной в формуле (1), а не к релятивистской массе, которая просто представляет собой полную энергию свободной частицы

В теории относительности масса не является мерой инерции. ( формула Fma). Мерой инерции является полная энергия тела или системы тел. Никаких ярлыков, тем более соответствующих ньютоновскому представлению о массе, физики к частицам не прикрепляют. Ведь частицами физики считают и безмассовые частицы. Учитывая только что сказанное, нет ничего удивительного в том, что излучение переносит от одного тела к другому энергию, а следовательно, и инерцию

И краткое резюме :

Масса имеет одну и ту же величину во всех системах отсчета, она инвариантна независимо от того, как движется частица

Вопрос «Имеет ли энергия массу покоя?» не имеет смысла. Массу имеет не энергия, а тело (частица) или система частиц. Авторы учебников , заключающие, из E0=mc2 , что «энергия имеет массу», пишут просто бессмысленную фразу . Отождествить массу и энергию можно, только нарушив логику, поскольку масса — релятивистский скаляр, а энергия — компонента 4вектора. В разумной терминологии, может звучать только : «Эквивалентность энергии покоя и массы».

Как измерить массу тела в космосе?

Итак мы знаем, что Масса это фундаментальная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные физические свойства тела. С точки зрения теории относительности масса тела m характеризует его энергию покоя , которая согласно соотношению Эйнштейна: , где скорость света.

В ньютоновской теории гравитации масса служит источником силы всемирного тяготения, притягивающей все тела друг к другу. Сила , с которой тело массы притягивает тело с массой , определяется законом тяготения Ньютона:

<! MATH begin{displaymath} F_{g} = frac{Gm_{1}m_{2}}{r^{2}}. end{displaymath} > или если быть более точным. <! MATH $F_{g} = frac{Gm_{1}m_{2}vec{r}}{r^{3}}$ >, где вектор

Инерционные свойства массы в нерелятивистской (ньютоновской) механике определяются соотношением . Из сказанного выше, можно получить по крайней мере три способа определения массы тела в невесомости.

Можно аннигилировать (перевести всю массу в энергию) исследуемое тело и измерить выделившуюся энергию по соотношению Эйнштейна получить ответ. (Годится для очень малых тел например, так можно узнать массу электрона). Но такого решения не должен предлагать даже плохой теоретик. При аннигиляции одного килограмма массы выделяется 2·1017 джоулей тепла в виде жесткого гамма излучения

С помощью пробного тела измерить силу притяжения, действующую на него со стороны исследуемого объекта и, зная расстояние по соотношению Ньютона, найти массу (аналог опыта Кавендиша). Это сложный эксперимент, требующий тонкой методики и чувствительного оборудования, но в таком измерении (активной) гравитационной массы порядка килограмма и более с вполне приличной точностью сегодня ничего невозможного нет. Просто это серьезный и тонкий опыт, подготовить который вы должны еще до старта вашего корабля. В земных лабораториях закон Ньютона проверен с прекрасной точностью для относительно небольших масс в интервале расстояний от одного сантиметра примерно до 10 метров.

Подействовать на тело с какой либо известной силой (например прицепить к телу динамометр) и измерить его ускорение, а по соотношению найти массу тела (Годится для тел промежуточного размера).

Можно воспользоваться законом сохранения импульса. Для этого надо иметь одно тело известной массы, и измерять скорости тел до и после взаимодействия.

Лучший способ взвешивания тела измерение/сравнение его инертной массы. И именно такой способ очень часто используется в физических измерениях (и не только в невесомости). Как вы, вероятно, помните из личного опыта и из курса физики, грузик, прикрепленный к пружинке, колеблется с вполне определенной частотой: w = (k/m)1/2, где k жесткость пружинки, m масса грузика. Таким образом, измеряя частоту колебаний грузика на пружинке, можно с нужной точностью определить его массу. Причем совершенно безразлично, есть невесомость, или ее нет. В невесомости удобно держатель для измеряемой массы закрепить между двумя пружинами, натянутыми в противоположном направлении. (Можете для развлечения определить, как зависит чувствительность весов от предварительного натяжения пружинок).

В реальной жизни такие весы используются для определения влажности и концентрации некоторых газов. В качестве пружинки используется пьезоэлектрический кристалл, частота собственных колебаний которого определяется его жесткостью и массой. На кристалл наносится покрытие, селективно поглощающее влагу (или определенные молекулы газа или жидкости). Концентрация молекул, захваченных покрытием, находится в определенном равновесии с концентрацией их в газе. Молекулы, захваченные покрытием, слегка меняют массу кристалла и, соответственно, частоту его собственных колебаний, которая определяется электронной схемой (помните, я сказал, что кристалл пьезоэлектрический)… Такие «весы» очень чувствительны и позволяют определять очень малые концентрации водяного пара или некоторых других газов в воздухе.

Да, если вам доведется побывать в невесомости, то помните, что отсутствие веса, это не значит отсутствие массы и в случае удара о борт вашего космического корабля синяки и шишки будут самыми настоящими :).

Учебная работа № 1669. Масса современное понимание