Czy bezwładność ciała zależy od zawartej w nim energii?

Albert Einstein

Od Redakcji - Przedstawiamy pracę Einsteina pod tytułem "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?", złożoną do druku Annalen der Physik 27 września 1905 roku. Po raz pierwszy pojawia się w niej słynny wzór E=mc2, jednak w nieco innej postaci - Einstein oznaczył energię przez L, natomiast prędkość światła przez V.


Wyniki opublikowanych wcześniej dociekań doprowadzają nas do bardzo interesującego rezultatu, którego wyprowadzenie podaje ten artykuł.

W poprzednim rozważaniu korzystałem, prócz równań Maxwella-Hertza dla próżni i prawa Maxwella dla elektromagnetycznej energii przestrzeni - także z następującej zasady. Prawa, według których zmieniają się stany układów fizycznych, nie zależą od tego, do którego z dwóch układów współrzędnych poruszających się jednostajnie i prostoliniowo względem siebie - odnoszą się te zmiany stanu (zasada względności).

Wychodząc z tego doszedłem w szczególności do następującego rezultatu (patrz §8 cytowanej pracy). Niech układ płaskich fal świetlnych rozpatrywany w układzie współrzędnych (x,y,z) posiada energię l i niech kierunek promienia (prostopadła do czoła fali) tworzy kąt z osią x układu. Jeżeli wprowadzić nowy układ współrzędnych (,,) poruszający się jednostajnie i prostoliniowo względem układu (x,y,z) i jeżeli początek pierwszego układu porusza się z prędkością v wzdłuż osi x, to wspomniana energia światła mierzona w układzie (,,) wyniesie

gdzie V - prędkość światła. W dalszym ciągu wykorzystamy ten wynik.

Niech w układzie (x,y,z) znajduje się spoczywające ciało, którego energia względem układu (x,y,z) równa jest E0. Energia tego samego ciała względem układu (,,) poruszającego się jak wyżej z prędkością v niech wynosi H0. Niech ciało to wysyła w kierunku tworzącym kąt z osią x płaską falę świetlną o energii L/2 [mierzonej względem układu (x,y,z)] i jednocześnie wysyła taką samą ilość światła w przeciwnym kierunku. W wyniku tego ciało pozostaje w spoczynku względem układu (x,y,z). Dla tego procesu powinno być spełnione prawo zachowania energii i to (zgodnie z zasadą względności) względem obydwu układów współrzędnych. Jeżeli oznaczymy przez E1 energię ciała po wypromieniowaniu światła mierzoną względem układu (x,y,z) i odpowiednio H1 energię względem układu (,,) korzystając z otrzymanego wyżej związku znajdziemy:

Odejmując drugie równanie od pierwszego otrzymujemy:

W tym związku obie różnice typu H - E posiadają prosty sens fizyczny. Wielkości H i E reprezentują wartości energii tego samego ciała względem dwóch układów współrzędnych poruszających się względem siebie, przy czym ciało spoczywa w jednym z układów [w układzie (x,y,z)].

W ten sposób jest jasne, że różnica H - E może odróżniać się od energii kinetycznej K ciała względem układu [układu (,,)] jedynie o pewną addytywną stałą C, która zależy od wyboru dowolnych addytywnych stałych w wyrażeniach dla energii H i E, zatem możemy napisać H0 - E0 = K0 + C i H1 - E1 = K1 + C, ponieważ stała C przy emisji światła nie zmienia się. W ten sposób otrzymujemy

Energia kinetyczna względem układu (,,) zmniejsza się przy wypromieniowaniu światła o wielkość, która nie zależy od natury światła. Ponadto różnica K0 - K1 zależy od prędkości dokładnie tak, jak energia kinetyczna elektronu (patrz §10 cytowanej wyżej pracy).

Pomijając wielkości czwartego i wyższych rzędów można otrzymać

Z tego równania bezpośrednio wynika, że jeżeli ciało oddaje energię L drogą promieniowania to jego masa zmniejsza się o L/v2. Przy czym oczywiście nieistotne jest, że energia stracona przez ciało przechodzi wprost w energię świetlną promieniowania tak, że dochodzimy do bardziej ogólnego wniosku. Masa ciała jest miarą zawartej w nim energii; jeżeli energia zmienia się o wielkość L, to masa zmienia się odpowiednio o wielkość L/9.1020, gdzie energia mierzona jest w ergach a masa w gramach.

Nie wyklucza się możliwości, że teorię uda się sprawdzić dla substancji, których energia zmienia się w dużym stopniu (na przykład dla soli radu). Jeżeli teoria odpowiada faktom, to promieniowanie przenosi bezwładność pomiędzy promieniującymi i pochłaniającymi ciałami.