Взаимосвязь энергии и массы

Одним из важнейших следствий теории относительности был вывод о существовании собственной энергии тел. Согласно этому выводу всякое тело массой m в состоянии покоя обладает собственной энергией Е ₀, равной произведению массы тела на квадрат скорости света в вакууме:

Е ₀ = mc ².

Полная энергия E тела в состоянии движения называется релятивистской энергией тела. Релятивистская энергия E тела зависит от массы m тела и скорости его движения:

Разность релятивистской E и собственной Е ₀ энергий движущегося тела называется кинетической энергией Е _к тела:

Е _к = Е – Е ₀.

Из теории относительности следует, что масса системы взаимодействующих тел не равна сумме масс тел, входящих в систему.

Разность Δ m суммы масс свободных тел и массы M системы взаимодействующих тел называется дефектом масс:

Δm = m₁ + m₂ - M

Изменение Δ E ₀ собственной энергии системы при любых взаимодействиях тел внутри системы равно произведению дефекта масс Δ m на квадрат скорости света c в вакууме:

Δ Е ₀ = Δ mc ².

Дефект масс и соответствующая ему энергия связи экспериментально обнаружены у атомных ядер. Расщепление тяжелых ядер и синтез легких ядер приводят к высвобождению этой энергии. Закон связи энергии покоя с массой частицы подтвержден измерениями энергии, выделяющейся при аннигиляции пар электрон–позитрон, а также многочисленными измерениями энергии выхода ядерных реакций, энергии радиоактивных распадов и превращений элементарных частиц, работой ядерных реакторов.

Массе в 1 г соответствует энергия покоя 9∙10¹³ Дж. Такая энергия выделяется при взрыве атомной бомбы. Ее хватило бы для превращения 30 000 т воды в пар.

Излучение Солнца и других звезд несет энергию и, значит, массу. Излучая энергию, они теряют массу. Из-за излучения масса Солнца уменьшается примерно на 4 млн т в секунду. (Для сравнения: масса Солнца 10³⁰ кг, в 1 году 31,5 млн секунд, Солнце исчезнет через 8∙10¹² лет).