La masa y la energía son los conceptos más básicos de la física. Solo es necesario abrir el libro de texto universitario "Física general" Volumen 1 (septiembre de 1978, tercera edición) editado por Cheng Shouzhu y Jiang Zhiyong en la página 253. , verás la siguiente descripción:
La masa y la energía son atributos importantes de la materia. La calidad se puede revelar a través de la inercia y los fenómenos gravitacionales de los objetos, mientras que la energía actúa en el exterior a través de cambios en el estado de los mismos. sistema material. Aparece en forma de trabajo, transferencia de calor, etc. La relación masa-energía revela que la masa y la energía son indivisibles. Esta fórmula establece la relación cuantitativa entre estas dos propiedades. Indica que un objeto con una determinada masa también debe tener energía equivalente a esta masa.
Desde el descubrimiento de la relación masa-energía, algunos físicos han malinterpretado la naturaleza de esta fórmula. Confunden materia con masa y separan la energía de la materia, creyendo así que la masa se convertirá en energía, lo que significa que la materia se convertirá en energía. El resultado es que se elimina la materia y todo lo que fluye hacia abajo es energía transformada. De hecho, estos argumentos son completamente insostenibles. Porque, en primer lugar, la masa es sólo uno de los atributos de la materia, y la materia nunca puede equipararse a sus atributos. En segundo lugar, la relación entre masa y energía en magnitud no significa que estas dos cantidades puedan transformarse entre sí; De hecho, en todos los procesos, estas dos cantidades se conservan respectivamente. La ley de conversión y conservación de la energía es una ley universal, y la ley de conservación de la masa también es una ley universal. No hay transformación de energía en masa o de masa en energía. .
Debemos saber por el pasaje anterior: La masa y la energía son propiedades de la materia. La masa y la energía son inseparables. Un objeto con una determinada masa debe tener una energía equivalente a esta masa y, a su vez, tener una determinada cantidad. de energía. Un objeto con esta energía también debe tener una masa equivalente a esta energía. Dado que la masa y la energía son completamente correspondientes, sólo es necesario introducir un coeficiente de conversión K para expresar la relación entre la masa M y la energía E como E=KM. Por tanto, el aumento o disminución de masa tiene una relación correspondiente con el aumento o disminución de energía:
dE = d(KM) = KdM
Ya que dE = F·ds, y F·ds = F·Vdt = V·(Fdt)
Según la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton: Fdt = d(MV) = VdM MdV
Por lo tanto:
Calcule la integral definida en ambos lados al mismo tiempo:
Cuando V0 = 0, M0 = m, entonces podemos obtener:
Aquí es cuando el material se mueve a diferentes velocidades, la correspondiente La relación entre la masa instantánea M y su masa estática m en reposo. El coeficiente indeterminado K en esta fórmula es un valor obtenido mediante pruebas experimentales realizadas por Rogers et al. Está muy cerca del valor cuadrado de la velocidad de la luz C en el vacío. Con K≈, existe: E＝KM≈M.
Dado que M no puede ser infinito, 1½/K debe ser mayor que 0, por lo que ＜ K ≈. Muestra que: para objetos reales cuya masa estática no es igual a cero, se puede deducir matemáticamente basándose en la relación masa velocidad que su velocidad máxima debe ser menor que la velocidad de la luz C.
Cuando V << C, la energía cinética P obtenida por el objeto se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:
En 1905, Einstein propuso la teoría de la relatividad, que dio a Lorentz La La relación masa-velocidad M=m/ se utiliza como fórmula conocida para derivar la relación de conversión masa-energía E=M. En realidad, esto comete un grave error lógico. Debes saber que en la fórmula diferencial Fdt=d(MV) de la segunda ley de Newton y la relación de conversión masa-energía E=KM, ya está implícito que M=m/después, lo que equivale a poner E=después, que equivale a poner E =M sirve como premisa para resolver la ecuación M=m/.
Lo que cabe señalar en particular es que la relación masa-velocidad se deriva de la relación masa-energía y de la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton, y no tiene nada que ver con la teoría de la relatividad. No significa quién puede deducir quién a partir de las matemáticas. Bueno, la razón más fundamental es que la relación masa-energía es una propiedad material más básica que la relación masa-velocidad.
Además, para deducir la relación masa-energía de la teoría de la relatividad, ya necesitamos confiar en la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton, que muestra que la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton no es el resultado de una investigación basada en la teoría especial. de la relatividad.
A modo de comparación, la gente puede consultar la página 145 de "La evolución de la física", escrita en coautoría por Einstein e Infeld (ISBN: 13119·450), que dice:
Física clásica Introduce dos tipos de materia: masa y energía. El primero tiene peso, mientras que el segundo no tiene peso. En física clásica tenemos dos leyes de conservación: una para la masa y otra para la energía. Ya lo hemos preguntado. ¿Mantiene todavía la física moderna la visión de dos sustancias y dos leyes de conservación? La respuesta es: no. Según la teoría de la relatividad, no existe una distinción importante entre masa y energía. La energía tiene masa y la masa representa energía. Ahora sólo se utiliza una ley de conservación. Es decir, la ley de conservación de masa-energía, en lugar de dos leyes de conservación. ...
¿Quién confunde materia con masa y energía y piensa que la masa se convertirá en energía? La gente puede ver claramente en el pasaje anterior. La comprensión de Einstein sobre la masa y la energía todavía era confusa. ¿Cómo podía analizar y derivar las fórmulas correctas para la relación masa-energía y la relación masa-velocidad?
De hecho, la relación masa-energía es la naturaleza de la materia. No es que la materia empezó a tener esta relación después de que la gente la descubriera. La relación entre masa y energía es la comprensión que la gente tiene de la naturaleza de la materia en la práctica y no es el resultado de una derivación basada en una fórmula determinada.
Dado que la masa y la energía son propiedades inherentes a la materia, la masa se manifiesta a través de la inercia y los fenómenos gravitacionales de los objetos, y la energía se manifiesta a través del trabajo externo y la transferencia de calor cuando cambia el estado del sistema material, y tiene una determinada masa. El objeto también debe tener energía equivalente a esta masa. De esta manera, es natural que la gente introduzca un coeficiente de conversión K para expresar la masa M y la energía E de cualquier sustancia como E=KM. A través de la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton, se puede descubrir que existe la siguiente relación general entre la masa instantánea M de la misma sustancia rígida a diferentes velocidades de movimiento y su velocidad instantánea V:
Si una Si se encuentra un caso especial y se puede calcular el coeficiente K indeterminado en la fórmula a través de él, habrá una clara relación de conversión entre masa y energía. Evidentemente, ésta es una tarea de investigación muy difícil. Mirando la historia del desarrollo de la física, ya a principios del siglo XIX, J.J. Thomson, W. Kaufmann y otros ya habían obtenido muchos resultados fructíferos en la investigación experimental y teórica sobre la relación masa-velocidad.
En 1904, F.Hasenohrl confirmó experimentalmente que el aumento de masa es proporcional a la energía de radiación y dedujo E∝M. Ese mismo año, basándose en la hipótesis de que la masa de los electrones se origina en el electromagnetismo y que su tamaño se reduce en la dirección de la velocidad cuando los electrones se mueven, Lorenz dedujo la relación entre el cambio de masa del electrón y la velocidad como M=m/. Sin embargo, debido a que la hipótesis de la contracción molecular en la que se basó Lorenz tenía serios problemas teóricos, la gente no le atribuyó claramente a Lorenz el mérito de haber obtenido la fórmula relacional masa-velocidad. Posteriormente, Rogers realizó pruebas más precisas mediante experimentos y concluyó que el valor del coeficiente de conversión de masa-energía K está muy cerca del valor al cuadrado de la velocidad de la luz C en el vacío.
Con K≈, sólo E = KM ≈ M.
En los experimentos, lo mejor para medir es la masa de una sustancia en reposo cuando la velocidad es cero. Siempre y cuando la gente mida la masa m de un objeto en reposo cuando la velocidad es cero, se puede. ser determinado por La fórmula de relación masa-velocidad calcula la masa instantánea M que tiene a diferentes velocidades de movimiento V
Dado que los libros de texto de física básica hasta ahora no han descrito completamente el proceso de análisis anterior, la gente no está familiarizada con el de Newton; La fórmula diferencial de la segunda ley a menudo da lugar a algunos malentendidos. Algunas personas piensan que Fdt = d (MV) = VdM M y V en la fórmula MdV pueden ser variables independientes independientes, y dM no tiene nada que ver con dV. Más personas no entienden por qué la segunda ley de Newton falla en movimientos a alta velocidad.
De hecho, a juzgar por la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton, M y V parecen ser variables independientes independientes. Pero ya sabemos por la relación masa-velocidad derivada que M es función de V. Cuando dV≠0, dM≠0. Dado que cuando dM≠0, dV puede ser igual a 0. Por ejemplo, si varios objetos que se mueven a la misma velocidad uniforme se conectan en uno, para cualquiera de los objetos originales, se puede decir que M ha cambiado, pero V no lo ha hecho. En este momento, MdV = 0 y VdM ≠ 0, pero F = 0 es un hecho obvio.
Hay que explicar el origen de dM≠0 cuando dV=0, de lo contrario no podemos seguir utilizando la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton. Solo cuando M cambia, el significado físico es dM=M-M0. Se debe explicar el origen de dM≠0 cuando dV=0; de lo contrario, no podemos continuar usando la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton. Sólo cuando el significado físico del cambio en M es dM=M-M0, y M corresponde a V y M0 corresponde a V0, es condición suficiente para utilizar la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton.
Cuando la velocidad V de la materia es cercana a la velocidad de la luz, por ejemplo: V cambia en el rango de [0.99999C, 0.999999999C], tome V0 = 0.999999999C, entonces habrá dV ≈ (V-C). Podemos deducir en base a la fórmula diferencial de la segunda ley de Newton y la relación de conversión masa-energía:
Según este resultado, cuanto más cerca está V0 de C, menos cambia la velocidad y más precisa es la Supongo que la masa se reduce a la mitad. Evidentemente, ésta es una conclusión errónea. Muestra que: La segunda ley de Newton ya no es válida cuando la velocidad en movimiento de la materia es cercana a la velocidad de la luz. La gente no puede seguir usando la fórmula de relación masa-velocidad derivada de la segunda ley de Newton para calcular las características correspondientes de los fotones cuando la velocidad. es menor que C. ¿Cuál es la masa?
Lógicamente hablando, el coeficiente de conversión masa-energía K≈ es una coincidencia, lo que significa que, en condiciones especiales, la velocidad de los fotones puede superar la velocidad normal de la luz en el vacío. En vista de que un fotón con energía hν tiene una masa inercial o gravitacional correspondiente M = hν/, no es difícil analizarlo teóricamente: un fotón en movimiento con una velocidad inicial C se emite perpendicularmente a la superficie de un determinado planeta. Cuando el radio R y su masa M satisfacen la relación R=2GM/, la velocidad del fotón disminuirá a cero cuando abandone el planeta y alcance el infinito. De hecho, mientras llegue lo suficientemente lejos, la velocidad del fotón se reducirá a un nivel suficientemente pequeño. Una vez que la energía de un fotón se reduce lo suficiente como para que todavía pueda existir en forma de fotón, el fotón se convertirá en otras formas de existencia material. Como resultado, la gente no podrá observar la luz emitida desde la superficie de planetas tan alejados de la Tierra. Aunque pueden atraer hacia sí los objetos cercanos y también reciben la luz que les dirige desde el exterior, los rayos que emiten no pueden ser observados por observadores lo suficientemente lejos.
Este tipo de planeta también se denomina "agujero negro" y constituye un tipo de "materia oscura". Por supuesto, esto es sólo una derivación teórica que ignora muchos factores inciertos. ¡Hasta ahora sigue siendo un misterio si realmente hay estrellas con "agujeros negros" en el universo!
Una vez que se haya aclarado la relación entre masa y energía, la desviación de la luz causada por el movimiento de fotones en un campo gravitacional fuerte se puede analizar utilizando la fórmula de la mecánica clásica con la que todo el mundo ya está familiarizado. No Luego están las preguntas que atormentan la mente de la gente.
El cambio en la velocidad del movimiento material es la transferencia de energía de un material a otro. Como sustancia que es un agregado energético, un aumento o disminución de energía se reflejará en un aumento o disminución de masa en consecuencia.
En principio, la aplicación de la relación masa-energía sólo se puede utilizar en un sistema de referencia que sea estacionario con respecto al espacio absoluto, es decir, la fórmula no se puede transferir a un sistema inercial local para su uso.
Sin embargo, debido a que el sistema solar está aproximadamente en el centro de simetría de la Vía Láctea en relación con el centro de masa del sistema de la Vía Láctea, solo se mueve a una velocidad lineal de decenas de kilómetros por segundo, a menos que el centro de masa del sistema de Toda la Vía Láctea se mueve a una velocidad extremadamente alta en relación con un sistema de referencia que permanece estacionario en el espacio absoluto. Sin embargo, cuando se mueve y se realizan investigaciones experimentales sobre la relación masa-energía en la Tierra, los cambios de masa a bajas velocidades son casi imperceptibles. , cuando la velocidad alcanza cientos de kilómetros por segundo o miles de kilómetros por segundo, se puede detectar la velocidad de movimiento de fondo del propio sistema terrestre, ignórelo y olvídelo. Por esta razón especial, la relación masa-velocidad se puede aproximar en un sistema de referencia en la Tierra.
La fórmula de la relación masa-velocidad derivada de la relación masa-energía y la segunda ley de Newton no indica cómo procede el proceso de acción específico. Por ejemplo, el aumento de masa provocado por el calentamiento no provoca un cambio en la velocidad macroscópica del objeto. La gente sólo lo interpreta como un cambio en la velocidad de las moléculas. Cuando se lanza un cohete, el cambio en la velocidad de vuelo es completamente diferente de la fórmula de la relación masa-velocidad. La gente sólo puede atribuir la relación masa-velocidad al nivel de movimiento molecular. Se puede ver que el lugar adecuado para aplicar la relación masa-velocidad debería ser el proceso en el que las partículas elementales reciben o liberan energía.