То, что свет обладает также и массой, следует из существо­вания давления света, открытого в 1900 г. русским физиком П. Н. Лебедевым. Лебедев установил, что световой поток обладает не только энергией Е, но и импульсом Е/с и, следовательно, мас­сой. Если тело поглощает световую энергию Е, то оно получает импульс Е/с, если же оно излучает световую энергию Е, оно по­лучает отдачу с импульсом, равным Е/с.

Еr = mс².
Масса тела и его релятивистская энергия — пропорцио­нальные величины, причем коэффициентом пропорцио­нальности служит квадрат скорости света с2. Эту связь мас­сы и энергии мы нашли для частного случая релятивист­ской энергии свободного тела. Оказывается, однако, что такое же соотношение имеет место для любого вида энер­гии. Существует общий закон природы:
Е = mc²,    (9)

где Е, кроме энергии свободного тела, может означать еще потенциальную энергию, теплоту, химическую энергию или любую другую энергию.
Формула (9) показывает, что полная энергия тела Е всегда связана с массой. Как только изменяется энергия тела, изменяется пропорционально и масса и, наоборот, любое изменение массы всегда сопровождается соответ­ствующим изменением энергии.

 

 

Рис 44.

 

То, что свет обладает также и массой, следует из существо­вания давления света, открытого в 1900 г. русским физиком П. Н. Лебедевым. Лебедев установил, что световой поток обладает не только энергией Е, но и импульсом Е/с и, следовательно, мас­сой. Если тело поглощает световую энергию Е, то оно получает импульс Е/с, если же оно излучает световую энергию Е, оно по­лучает отдачу с импульсом, равным Е/с.
Рассмотрим теперь изображенную на рис. 44 трубку, концы которой закрыты пробками А и В. Пусть излученный из пробки А световой поток с энергией Е движется к пробке В и поглощает­ся в ней. В тот момент, когда световой поток выходит из А, проб­ка, а вместе с нею и вся трубка получит импульс, направленный влево. Под его влиянием трубка начнет двигаться с определенной скоростью также влево. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не дойдет до пробки В и не поглотится там. В результате \»внутренних процессов трубка сдвинулась с ме­ста. Одно из начал физики гласит, что под влиянием внутренних сил система не может сдвинуть свой центр масс Перемещаться могут только ее отдельные части, притом таким образом, что центр масс остается в покое. Следовательно, сдвиг трубки влево в описанном опыте был возможен только за счет того, что в то же самое время часть массы внутри трубки должна была дви­гаться вправо. Очевидно, что у движущегося вправо светового потока имеется определенная .масса. Если обозначить массу све­тового потока через т, то его импульс можно выразить и виде произведения массы и скорости этого сигнала тс. Приравнивая это значение полученной в опыте П. Н. Лебедева величине Е/с, на­ходим формулу
Е = mс².
Эта формула позволяет вычислить массу светового потока, если известна его энергия.
Количества энергии, с которыми мы повседневно име­ем дело, так малы, что они не вызывают заметного изме­нения массы. Нагревая, например, гирю весом в 1 кг до 1000°, мы сообщаем ей 108 ккал энергии. Можно подсчи­тать, что при этом масса гири возрастает на пять мил­лиардных грамма. Это настолько ничтожная величина, что ее никак нельзя обнаружить.
На уроках химии в школе иногда демонстрируют такой опыт. На чашку весов помещают закрытый стеклянный сосуд, на дне которого находится кусочек легковоспламе­няющегося вещества. Весы уравновешивают. Затем лег­ковоспламеняющееся вещество зажигают (это можно сде­лать, например, собрав линзой солнечные лучи) и вскоре от него останется только щепотка золы. Несмотря на это, весы остаются в равновесии. Этим опытом демонстрирует­ся закон сохранения вещества: при сгорании вещество не исчезает и не возникает, оно только изменяет свое состоя­ние. Общая масса вещества, находящегося в стеклянном сосуде до и после сгорания, одна и та же. Именно такой вывод обычно и делается. Однако формула теории отно­сительности (9) говорит, что это не совсем точно. В про­цессе горения из сосуда излучается тепловая и световая энергии. Это значит, что, строго говоря, полная масса веще­ства в сосуде должна уменьшиться. Уменьшение, правда, так мало, что весы на него не реагируют, но все-таки оно существует. Масса вещества в сосуде не будет изменяться только тогда, когда вся энергия, возникшая при горении, останется внутри него.
Однако из изложенного вовсе не следует, что теория относительности покушается на законы сохранения веще­ства. Теория относительности учитывает закон сохранения массы в самом общем виде. В частности, она учитывает и» то, что всякое изменение энергии сопровождается изме­нением массы.
С энергией движения тел, так называемой кинетиче­ской энергией, мы встречаемся каждый день. Когда дви­жущееся тело затрачивает свою кинетическую энергию, оно останавливается. Теория относительности между тем утверждает, что в таком случае энергия тела еще далеко не исчерпана. Основная часть энергии, т. е. энергия покоя, не расходуется. Энергию покоя тела можно высвободить только путем уменьшения массы покоя. При этом уже не­значительное изменение массы покоя приведет к освобож­дению большого количества энергии. Выше мы видели, что 1 г массы соответствует 9 180 000 килограммометров энер­гии. Такое колоссальное количество энергии ( равное энер­гии, вырабатываемой за неделю мощной гидроэлектростан­цией) освобождалось бы при «исчезновении» 1 г массы покоя.
Связь массы и энергии, установленная в теории отно­сительности, примечательна тем, что она пригодна для всех без исключения тел и явлений в природе. Это значит, что при описании природы не имеет смысла говорить отдельно о массе и энергии. При более глубоком изучении между массой и энергией обнаруживается такая тесная связь, что одно из этих понятий при описании природы вполне может быть опущено.
Релятивистская физика может и вовсе не содержать понятия энергии. С другой стороны, релятивистскую фи­зику можно построить так, что она вообще не будет содер­жать понятия массы — везде будет фигурировать понятие энергии. В классической физике этого сделать нельзя, по­скольку здесь нет связи между массой и энергией. В клас­сической физике масса и энергия представляются нам столь же резко обособленными понятиями, как простран­ство и время.
Как обстоит дело в самой природе? Существует ли и масса, и энергия, или же существует только одна из них?
Человек, изучая природу, убедился в целесообразности применения таких понятий, так как с их помощью оказа­лось возможным создать соответствующую действительно­сти картину происходящих в природе явлений. Эти поня­тия, образно говоря, являются фотоснимками определен­ных характеристик тел природы. Теперь, когда теория относительности показала наличие универсальной связи между массой и энергией, доказано, что масса и энергия — понятия, соответствующие одним и тем же характеристи­кам в природе. В этом смысле массу и энергию можно счи­тать эквивалентными. Эта эквивалентность, конечно, не означает совпадения понятий, их идентичности. Здесь можно провести следующее (очень грубое) сравнение.
Рассмотрим две разные фотокарточки одного и того же человека. Эти фотографии эквивалентны в том смысле, что они изображают одного и того же человека, но они пол­ностью не совпадают, они не идентичны.
Так же обстоит дело с массой и энергией и с той физи­ческой реальностью, которую отражают эти понятия. Физи­ческая реальность одна и та же, а понятия массы и энер­гии — различны.
Соотношение (9), которое называют формулой эквива­лентности массы и энергии, полностью относится к реля­тивистской физике. Используя формулу (9),принципиаль­но можно измерять массу в килограммометрах или энер­гию в граммах. Однако использование таких единиц изме­рения практически нецелесообразно. Это нетрудно показать. Если считать, что 1 квт • час электроэнергии стоит 4 коп., то 1 г электроэнергии будет стоить несколько больше миллиона рублей.