Взаимосвязь энергии и материи

Теория относительности утверждает, что энергия E тела неразрывно связана с его массой m через соотношение E=mc², где с – скорость света в вакууме. Любое тело обладает энергией. Если m₀ – масса покоящегося тела, то его энергия покоя E₀ = m₀c². Эта потенциальная энергия может переходить и в другие виды энергии при превращениях элементарных частиц (распадах, ядерных реакциях и т.д.).

Из формулы Эйнштейна следует главный вывод – энергия и масса не есть что-то различное, они эквивалентны как две стороны одной медали. И эта эквивалентность лежит в основе любых процессов самоорганизации материи. До создания А.Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 году законы сохранения массы и энергии существовали как два независимых закона.

В теории относительности эти два закона слились в единый закон сохранения энергии. Согласно закону сохранения энергии, энергия сохраняется в изолированной системе. Этому закону подчиняются все известные процессы в природе. В изолированной системе энергия превращается из одной формы в другую, но ее количество остается неизменным. Парадокс заключается в том, что, по-видимому, единственной полностью изолированной системой является наша Вселенная.¹⁵

И это подтверждается астрономическими наблюдениями. Любая система состоит из атомов. В изолированной системе атомы взаимодействуют только между собой, и их суммарная энергия остается неизменной.

Под энергией в современной науке принято понимать общую количественную меру движения и взаимодействия материи. Это понятие связывает воедино все явления природы.¹⁶

Сохранение энергии связано с однородностью моментов времени – с тем, что все моменты времени взаимно эквивалентны и физические законы не меняются со временем. Закон сохранения механической энергии был установлен в 1686 году Г.В.Лейбницем, а для немеханических явлений – Ю.Р.Майером (1845), Дж.П.Джоулем (1843-50) и Г.Л.Геймгольцем (1847).

В соответствии с формой движения материи, энергия может носить самый разнообразный характер: механический, электромагнитный, ядерный и т.д. Эта градация достаточно условна.

Так, к примеру, химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения атомов относительно центра масс тел и потенциальных энергий взаимодействия атомов друг с другом.

Энергия системы зависит от параметров, характеризующих ее состояние. Если речь идет о непрерывной среде или поле, принято вводить понятие плотности потока энергии, равной произведению плотности энергии на скорость ее перемещения.

Поэтому в процессе перехода системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от способа перехода. Причина этого заключается в том, что энергия – это показатель состояния системы. Изменение энергии в системе происходит через совершение работы и сопровождается передачей в систему некоторого количества тепла.

Рассмотрим, как происходит энергетический обмен на атомарном уровне. Почти вся масса атома сосредоточена в очень небольшой области по сравнению с его общим объемом. Эта область называется ядром атома. Атомы состоят из протонов и электронов. Весь остальной объем атома занимают электроны. Протоны входят в состав ядра, а электроны вращаются вокруг него.

Для того чтобы получить представление о строении и скрытой энергии мироздания, представим, что модель атома соответствует по размерам спортивному стадиону на 70 тыс. мест. Для сравнения – ядро атома будет напоминать спичечную головку. Атом водорода имеет только один протон. Он будет расположен в центре стадиона. Электрон, который примерно в 1840 раз легче протона, хаотично движется по всему пространству стадиона.¹⁷

Ядро атома гелия можно представить в виде четырех булавочных головок (двух протонов и двух нейтронов). В нашей модели два электрона атома гелия будут перемещаться по всему пространству стадиона. Но самое поразительное заключается в том, что четыре спичечных головки, составляя почти всю массу атома, занимают ничтожно малое пространство в центре стадиона!

И при этом частицы атома тоже не монолитны и далеко не конечны…. По сути, мы имеем дело с материей как формой самоорганизации энергии.

Оппоненты могут возразить, что в микромире действуют непонятные современной науке законы: причина может идти впереди следствия. Да и обыкновенный свет проявляет себя в различных экспериментах различно – как волны или как частицы. Для нас это не так важно.

В любом случае мы имеем дело с объективной реальностью. Неспособность объяснить некоторые явления свидетельствует лишь о том, что мы не обладаем пока соответствующим категориальным аппаратом. А энергетическую природу света можно легко проверить, зажигая бумагу при помощи обыкновенной лупы.