Очевидное? Нет, еще неизведанное…

И наконец, взвешивая, скажем, кусок железа холодным и нагретым, невозможно заметить какую-либо разницу масс, хотя разница в энергии хорошо заметна.

Почему же, наблюдая при каком-то химическом (или любом другом) процессе заметную разницу в энергетических состояниях тел, мы не можем заметить изменения его массы?

Это оказывается довольно очевидным, если только вспомнить основное соотношение: Е = mc². Стоит немного изменить сомножитель m (массу), чтобы значительно изменилась энергия E.

Масса значительно «дороже» энергии. Один грамм массы эквивалентен «астрономической» энергии E = 1 г · 9 · 10²⁰ см²/сек² = 9 · 10²⁰ эргов. И обратно, один эрг энергии соответствует смехотворно малой массе 1/9 · 10²⁰ грамма.

Энергия, соответствующая массе в один грамм, колоссальна. Такой кинетической энергией обладает ракета с массой примерно 1500 тонн, посланная со скоростью, достаточной для преодоления земного тяготения (11,2 км/сек).

Часто приходится читать: «Из-за большой затраты энергии во время футбольного матча спортсмен теряет в весе 2–4 килограмма». Это так и есть на самом деле. Но, вероятно, ни один из центрфорвардов не представляет, какое количество энергии теряет он вместе с массой. Если эту массу перевести в энергию, ею можно было бы выбить за пределы земного тяготения футбольный мяч с массой в 5 миллионов тонн.

А энергии, выделяемые (или затрачиваемые) в обычных химических реакциях, связаны с такими ничтожными изменениями массы, что наши приборы не смогли бы зарегистрировать эти исчезающие малые дефекты, даже если увеличить их в тысячу раз.

Точно так же теоретически безусловное увеличение массы нагретых тел практически сказывается в настолько далеком знаке после запятой, что является только чисто умозрительным курьезом.

Положение, однако, существенно меняется, если перейти к ядерным реакциям. Еще в 1905 году Эйнштейн предполагал, что процессы радиоактивности могут служить проверкой изменения массы. Тогда это было гипотезой. Сейчас теория подтверждена при изучении тех многочисленных ядерных реакций, что известны в наши дни.

Атомная энергия. Дефект массы.

Энергия, освобождаемая или поглощаемая при ядерных реакциях, в сотни тысяч и миллионы раз превышает энергетический выход в обычных химических реакциях. Соответственно и изменения массы при ядерных реакциях в миллионы раз больше. Если, например, при реакции образования воды на каждые две грамм-молекулы водорода и одну грамм-молекулу кислорода (то есть на 18 граммов вещества) выделяется 136 тысяч малых калорий, 2H₂ + O₂ = 2H₂O + 136 000 калорий, то при ядерной реакции образования ядер гелия из лития и водорода Li⁷ + H¹ = 2He⁴ + Q на каждые 7 граммов ядер лития и 1 грамм ядер водорода освобождается примерно 5 · 10⁹ калорий (5 миллиардов). При таких выходах энергии сравнительно легко можно наблюдать изменения массы^[84].

Но и в ядерных реакциях изменение массы обычно не превышает долей процента. Подобно скупому рыцарю, природа тщательно хранит энергию, и даже при таких потрясениях, как ядерные взрывы, расходуются лишь малые доли запасов.

Для примера приведем точный энергетически-массовый баланс упомянутой реакции^[85].

Li⁷ + H¹ = 2He⁴ + Q.

В результате точных измерений определили, что масса одного атома равна:

лития (Li⁷) = 7,01818 · 1,66 · 10^-24 г;

водорода (H¹) = 1,00813 · 1,66 · 10^-24 г и

гелия (He⁴) = 4,00389 · 1,66 · 10^-24 г.

Подсчитаем массу реагирующих веществ и продуктов реакции:

Li⁷ + H¹ -> 2He⁴

7,01818 · 1,66 · 10^-24 + 1,00813 · 1,66 · 10^–24

2 · 4,0039 · 1,66 · 10^-24 г. Сложив, получим: 8,02631 · 1,66 · 10^-24 г -> 8,00778 · 1,66 · 10^-24 г.

Слева имеется избыток массы, равный 3,08 · 10^–26 г. Освобождающаяся в реакции энергия (она в равенстве добавляется справа) должна соответствовать этой массе, и значит:

Q = mc² = 3,08 · 10^-26 г · 9 · 10^20 см/_сек = 2,72 · 10^-5 эрга.

При этой реакции освобождающаяся энергия проявляется в виде кинетической энергии образовавшихся ядер гелия (-частиц).

Экспериментальные данные великолепно подтверждают теоретические расчеты как в этой, так и в сотнях других ядерных реакций. Точно измерив массы всех атомных ядер, можно предвидеть, как будет протекать данная ядерная реакция — с выделением или с поглощением энергии; предсказать, какое именно количество энергии освободится или поглотится (свяжется).

В разобранном примере мы уверенно предсказали освобождение энергии, и приведенная реакция может быть использована как исключительно мощный источник энергии. На два реагирующих ядра атомов лития и водорода освобождается огромная энергия — 2,76 · 10^-5 эрга!