Глава 7 Энергия и масса

Вселенная - это бесконечная симфония струнного оркестра.
неизвестный автор из интернета

                Струны Вселенной               
                глава 7
                Энергия и масса

Возвращаясь из магазина, я встретила Наташу, свою подругу и соседку.
Мы шли домой, разговаривали о повседневных делах, Наташа что-то рассказывала, но неожиданно остановилась:
- Знаешь, как-то недавно я занималась домашними делами и слушала радио. А там то ли для школьников, то ли для студентов шла передача про энергию. И так интересно было! - она с улыбкой посмотрела на меня. - И вот я подумала, может нам поговорить...
- Про энергию?
- Да. Давай подготовимся и проведём "научную конференцию" домохозяек по этой теме?
- Я согласна. Тогда там же, тогда же?
- Договорились.

Просветившись по глобальной теме "Энергия", мы встретились через неделю там же - около парка, что в пяти шагах от нашего дома, и тогда же - в семнадцать часов, тридцать минут.
С нами были домашние любимцы: с Наташей - Луша, маленький, симпатичный йоркширский терьер, а со мной красавица Юля, золотистый ретривер. Наши собачки всем своим видом показывали, как они рады встрече и предстоящей прогулке. И может быть хотели послушать предстоящую беседу? Они с интересом смотрели на нас, будто говоря: "Ну что же, начнём?"   

- Итак, - сказала я волшебное слово, с которого начинались все наши "научные конференции", - сегодня будет тема...
- Энергия, - торжественно произнесла Наташа.
- Энергия и масса, - уточнила я и спросила. - Какое определение ты дала бы понятию энергия?
- Энергия - это способность совершить работу.
- Правильно. Энергия — это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, она  характеризует способность тела совершать работу. 
Скалярная величина, скаляр — это величина, каждое значение которой выражено одним числом, она определяется только значением, в отличие от векторной величины - вектора, который имеет значение и направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура, электрический заряд, работа, статистический вес и т.д.

- Какие есть виды энергии? - спросила Наташа.

- Назову некоторые энергии:
Кинетическая — энергия движения. Зависит от массы объекта и его скорости. 
Потенциальная — энергия, связанная с позицией или состоянием объекта. Например, у объекта, находящегося на высоте, есть потенциальная энергия, которая может быть превращена в кинетическую энергию при падении.
Тепловая — энергия, связанная с тепловым движением молекул вещества, она определяет его температуру и может быть передана от одного объекта к другому.
Химическая — энергия, образованная химическими связями между атомами вещества. Она может быть высвобождена или поглощена во время химических реакций.
Ядерная — энергия, которая содержится в ядрах атома и выделяется при радиоактивном распаде и ядерных реакциях. 
Магнитная — энергия, которая содержится в магнитном поле. 
В физике энергия измеряется в джоулях или калориях.

- Расскажи о кинетической и потенциальной энергии. Я немного читала, но всё же... - улыбнулась Наташа.

- Кинетическая энергия, - это энергия движения тела. Она определяет запас энергии тела, которое обладает скоростью.
Формула расчёта кинетической энергии: Е = m х c2
(кинетическая энергия равна массе тела, умноженной на его скорость в квадрате)
Из формулы видно, что чем больше масса и скорость тела, тем выше его кинетическая энергия. При этом вклад скорости в кинетическую энергию больше чем вклад массы, т.к. в формуле - квадрат скорости. Если скорость увеличится в 2 раза, то энергия увеличится в 4 раза. При увеличении массы в 2 раза, кинетическая энергия увеличится тоже в 2 раза.
Примеры:
Движущийся автомобиль. Чем больше его масса и скорость, тем больше его кинетическая энергия и тем бОльшую работу он совершает.
Пуля, выпущенная из пистолета. Чем быстрее движется пуля и чем она тяжелее, тем выше её кинетическая энергия и тем больше урона она принесёт.

Потенциальная энергия - это энергия возможного движения.
Формула расчёта потенциальной энергии: Е = m х g х h
(потенциальная энергия равна массе тела, умноженной на ускорение свободного падения и на высоту)
Примеры:
Тела, поднятые над поверхностью земли. Например, камень при падении с высоты образует на земле воронку, т.е. совершает работу.
Упруго деформированные тела. Например, человек натягивает тетиву лука и выпускает стрелу - совершает работу.
Сжатые газы. Расстояние между молекулами газа уменьшается, увеличивается сила отталкивания между ними, которая совершает работу.
Также и другие примеры разных видов энергии.

- Вот интересно, как связаны энергия и энтропия? - спросила Наташа.

- Связь между энергией и энтропией заключается в том, что с ростом энергии растёт и энтропия.
Например, если добавить немного тепла к воде, охлаждённой до нуля, то молекулы начнут двигаться быстрее, и число возможных конфигураций возрастёт. Так порция тепла повысит энтропию.

- Энергия и масса связаны по знаменитой формуле Е = m х c2. Как понимаются масса и энергия в современной физике?
 
- Энергия и масса взаимосвязаны по теории эквивалентности. Это выражается в формуле Эйнштейна эквивалентности массы и энергии Е = m х c2: энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света в вакууме.

Однако масса и энергия не являются идентичными величинами на количественном уровне. Масса - инвариантная характеристика объекта, тогда как энергия может изменяться в зависимости от состояния системы и её движения.

На качественном уровне масса и энергия имеют разные свойства. Масса определяет инерцию и гравитационное взаимодействие, тогда как энергия характеризует способность системы выполнять работу или производить изменения.

Энергия может быть преобразована в массу и наоборот, что наблюдается в ядерных реакциях. Например, в процессе термоядерного синтеза небольшое количество массы преобразуется в значительное количество энергии.

- Инвариантная масса. Что это?

- Инвариантность в физике — фундаментальное понятие, означающее независимость физических закономерностей от конкретных ситуаций, в которых они устанавливаются, и от способа описания этих ситуаций.
Инвариантная величина не зависит от точки наблюдения и сохраняет свои значения в разных инерциальных системах отсчёта.
Примеры инвариантных, неизменных величин: скорость света в вакууме (константа), масса которая сохраняется в изолированной системе (закон сохранения массы), закон сохранения энергии.

В специальной теории относительности (СТО) масса имеет два значения:
Инвариантная, неизменная масса (т.н. масса покоя) — это величина, которая одинакова для всех наблюдателей во всех системах отсчёта. 
Релятивистская (относительная) масса — это величина, которая зависит от скорости наблюдателя.

Согласно концепции эквивалентности массы и энергии, инвариантная масса эквивалентна энергии покоя, а релятивистская масса — релятивистской энергии (т.н. полная энергия). 

Некоторые особенности массы в СТО:
Чем ближе скорость тела к скорости света в вакууме, тем сильнее возрастает масса тела. 
При увеличении скорости движения масса тела увеличивается. 
При скоростях, близких к скорости света, масса тела стремится к бесконечности. 

- Масса тела стремится к бесконечности? Как это? - удивилась Наташа.

- Допустим, скорость света безгранична, тогда по формуле Е = m х c2 масса будет тоже безгранична, что невозможно. Поэтому скорость света в вакууме - это константа, величина постоянная, неизменная, т.е. инвариантная.
Скорость света в вакууме — это абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн, в точности равная 299 792 458 м/с или приблизительно 300 000 км\сек.
Скорость света в различных средах меньше чем в вакууме и зависит от их оптических свойств.

- Интересно, сколько раз можно облететь вокруг Земли со скоростью света за 1 секунду?

- Примерно 7,5 оборотов вокруг Земли за 1 (одну!) секунду со скоростью света. При этом диаметр Земли по экватору 12756,274 км.

- Фантастика! - воскликнула Наташа. - Представить невозможно. Но ещё труднее представить скорость света в квадрате. Сколько же это? Что-то невероятное.

- Скорость света в квадрате равна 90 000 000 000 км/с (девяносто миллиардов километров в секунду) или 90 000 000 000 000 м\с (девяносто триллионов метров в секунду)... Представить эту скорость невозможно!
Эта величина используется в формуле Эйнштейна эквивалентности массы и энергии
Е = m х c2.

Из формулы Е = m х c2 следует ещё один поразительный вывод.   
Даже минимальная масса тела, умноженная на квадрат скорости света (90 000 000 000 000 м/с) даёт гигантский результат. Это используется в реакторах атомных электростанций, где огромная энергия цепной реакции деления урана превращается в электроэнергию.
Один грамм урана-235 может заменить три тонны каменного угля по количеству полученной энергии.

- Понятно, почему всё больше используются атомные электростанции, - Наташа задумалась, потом воскликнула. - Солнце! Вот гигантский источник энергии.

- Совершенно верно. Солнце - источник энергии для жизни на Земле, потому что даёт свет и тепло, которые обеспечивают фотосинтез растений и поддерживают климат и температурный режим.

Термоядерный синтез на Солнце происходит благодаря колоссальному давлению, которое создаёт мощная гравитация. В результате этого процесса два лёгких ядра атома водорода объединяются в одно более тяжёлое ядро гелия с высвобождением огромного количества энергии, которая излучается. Эта энергия и есть солнечный свет.
Для слияния ядер они должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высокой температуре — около десяти миллионов градусов Цельсия. Высокая температура даёт им достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание. Как только ядра оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания и позволяет им слиться.
По одной из теорий, термоядерный синтез происходит не в глубинах Солнца, а в его короне, где температура плазмы достигает 1 999 726,85 градусов C.

- Вселенная наполнена энергией Солнца... - задумчиво произнесла Наташа.

- Точнее, энергией наполнена Солнечная система, где Солнце - звезда.

- Песня такая есть "звезда по имени Солнце". Помнишь? А сколько звёзд во Вселенной?

- Точное количество звёзд во Вселенной подсчитать невозможно, есть только приблизительные оценки. По подсчётам астрономов в нашей галактике Млечный Путь находится до 400 миллиардов звёзд различных размеров и яркости. Только в наблюдаемой(!) части Вселенной около 200 миллиардов галактик, и в каждой из них - своя звезда. А мы с тобой подошли к итогу нашей беседы, к фундаментальному закону природы. Догадалась?

- Это закон сохранения энергии, - ответила Наташа.
В замкнутой системе энергия тела при изменении состояния не исчезает и не появляется из ниоткуда, а просто видоизменяется, превращается из одного вида энергии в другой. 
А в квантовой физике этот закон как звучит?   

- Закон сохранения энергии в квантовой физике:
Полная энергия замкнутой системы остаётся постоянной, что бы с этой системой не происходило.

Энергия системы из частиц будет сохраняться и передаваться другим системам, а обменные энергетические процессы приведут к равномерному перетеканию энергии в системе, но не к изменению её количества.

- Энергия не исчезает, не появляется из ниоткуда... Звучит загадочно. Когда и как возникла энергия? - спросила Наташа и задумчиво повторила. - Из ниоткуда...

- Энергия во Вселенной появилась согласно теории Большого взрыва, и мы с тобой это, как говорится, уже проходили. Ты знаешь, что в начале вся энергия Вселенной была сконцентрирована в одной точке, бесконечно малой и бесконечно горячей, - точке сингулярности. Затем, в доли секунды, эта точка расширилась, создавая пространство, время и материю, что, конечно, на уровне наших знаний представить невозможно. Энергия, которая была в этой точке, никуда не исчезла, а превратилась в то, что мы видим сегодня: звёзды, галактики, планеты и другие объекты.

- Есть гипотезы, - продолжила Наташа, - что наша Вселенная не единственная, что Вселенных много, они появляются, расширяются, схлопываются, потом снова появляются... Так всегда? - и сама ответила. - Всегда.

"Научная конференция" двух домохозяек по вопросам устройства Вселенной подошла к концу. Мы беседовали, ходили по аллеям нашего любимого парка, сидели на скамейке около пушистой ёлочки. Незаметно потемнело, и вдоль аллей зажглись фонари, отчего стало особенно красиво и уютно. Рядом были наши верные друзья Луша и Юля, они вели себя послушно, почти не убегали и не лаяли, а тихо шли рядом и будто прислушивались, словно хотели понять что-то и может быть поняли. А мы?
А мы шли молча, любуясь ожившей после долгой зимы, весенней природой, вдыхая запахи молодой травы и листьев, слушая пение птиц и глядя на небо, где появились звёзды среди миров...

     Среди миров, в мерцании светил  ***
     Одной Звезды я повторяю имя,
     Не потому, чтоб я Её любил,
     А потому, что я томлюсь с другими.
     И если мне сомненье тяжело,
     Я у Неё одной ищу ответа,
     Не потому, что от Неё светло,
     А потому, что с Ней не надо света.

- Причём здесь стихи о любви?
- Трудно сказать...

*** Среди миров - Иннокентий Анненский
---------------
Информация об энергии и массе взята из открытых источников интернета.