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 Е₀, равной произведению массы тела на квадрат скорости света в вакууме:

Е₀ = mc².

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 Е₀ энергий движущегося тела называется кинетической энергией Е_к тела:

Е_к = Е – Е₀.

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

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

Δm = m₁ + m₂ - M

Изменение ΔE₀ собственной энергии системы при любых взаимодействиях тел внутри системы равно произведению дефекта масс Δm на квадрат скорости света c в вакууме:

ΔЕ₀ = Δmc².

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).