دید کلی

یکی از اساسی‌ترین خواص هر جسم مادی جرم آن است. در فیزیک کلاسیک اصطلاح "جرم " مقدار ماده را نشان می‌دهد. اتمها بطور کاملا یکنواختی فرض شده و در مقابل نیروهای خارجی مقاوم محسوب می‌شوند. جرم به عنوان مقدار اینرسی اجزای موجود در اتم فرض می‌شود و این اعتقاد وجود دارد که حرکت یک جسم ، تغییری در جرم آن بوجود نیاورده و درتمام حالات حرکت ، جرم مطلقا ثابت باقی می‌ماند.

پیدایش تئوری جرم

دانشمند روسی "بی لبرو" اساس تئوری جرم را با اثبات تجربی این مطلب طرح نمود که نور نیز فشاری دیگر در برخورد با اجسام دیگر تولید می‌کتد. در مکانیک معلوم شده که فشار اعمال شده بوسیله یک جسم به جسم دیگر ، در حین تأثیر متقابل ، برابر با حاصلضرب جرم در سرعت آن است. کشف فشار نور ، این عقیده را بوجود آورد که نور شبیه اجسام معمولی ، دارای جرم و به همان ترتیب سرعت می‌باشد.

نه تنها برای اجسام معمولی بلکه برای نور نیز "جرم" در نظر گرفته شد. فیزیکدان روسی معاصر "سو اویلوف" به این نتیجه رسید که فشار نور با تقسیم کردن انرژی نور بر سرعت آن محاسبه می‌شود. اگر انرژی نور را با E ، جرم نور را با m سرعت سیر نور را با c نمایش دهیم رابطه زیر حاصل می‌شود:

هم ارزی جرم و انرژی

تئوری نسبیت خاص اینشتین ثابت کرد که فرمول انرژی اینشتین نه تنها برای نور بلکه برای انواع دیگر انرژی قابلیت کاربرد دارد. پس می‌توان فرض نمود که در این رابطه ، E برای هر نوع انرژی ، m جرم هر نوع ماده از جمله نور و c سرعت سیر نور است. این رابطه همیشه نمایانگر آن نیست که جرم و انرژی معادل یکدیگرند و یا به یکدیگر تبدیل می‌شوند. صحیحتر آن است که این قانون به نام "هم ارزی جرم و انرژی" خوانده شود.

تعابیر نابجا از فرمول آلبرت انیشتین

فرمول آلبرت انیشتین به غلط "معادله جرم و انرژی" نام گرفت که بزودی بوسیله فیزیکدانهای ایده آلیست به عنوان دلیلی بر تبدیل ماده به انرژی و برعکس مورد تفسیر واقع گردید. البته این تفسیر نشان دهنده منظور واقعی این قانون نمی‌باشد. این معادله ادعا نمی‌کند که جرم m ممکن است به انرژی E تبدیل شود.

مفهوم واقعی فرمول اینشتن

این رابطه فقط بیان می‌کند که یک ماده با جرم m در یک زمان ، انرژی E را شامل می‌باشد. معادله جرم و انرژی مقدار کامل انرژی معادل با یک جرم داده شده را نشان می‌دهد. برای محاسبه این مقدار انرژی کافی است که جرم جسم را در مجذور سرعت نور ضرب کنیم.

در این حال واقعیت جالب توجهی مطرح می‌شود

جسمی محتوی جرم یک کیلو گرمی ، محتوی آن مقدار انرژی است که از سوختن سه میلیون تن زغال سنگ بوجود می‌آید. کافی است اشاره شود که بکار انداختن واکنش حرارتی هسته‌ای ، قادر به آزاد کردن فقط یک درصد از این انرژی می‌باشد و واکنش شکست هسته اورانیوم یا پلوتونیوم یک دهم درصد و واکنش معمولی سوختن فقط یک ده میلیونم درصد (0.0000001 %) انرژی فوق را آزاد می‌کند. علاوه بر آن تئوری نسبیت خاص ، معادله زیر را بین جرم جسم و سرعت حرکت آن ثابت نمود.







که در آن m₀ جرم جسم یا ذره در حال سکون (جرم سکون ذره) ، m جرم همان جسم یا ذره در حال حرکت با سرعت v و c سرعت سیر نور است. اگر رابطه (1 - v²/c²) بزرگتر از واحد باشد، جرم درحال حرکت جسم همیشه از جرم در حال سکون (m₀) آن بیشتر است.

بنابرین ، فرمول فوق نشان می‌دهد که جرم جسم ثابت نبوده و با افزایش سرعت جسم زیاد می‌شود. افزایش در سرعت جسم نیز متضمن افزایش در انرژی آن است. در نتیجه ، همانطوری که جرم جسم به انرژی جنبشی آن بستگی دارد. افزایش در جرم یک جسم با ازدیاد سرعت آن ، از فرمول فوق ذکر قابل درک است. هر چه انرژی جنبشی جسم بیشتر شود، جرم آن نیز بیشتر می‌شود.

جرم نسبیتی

در رابطه جرم آلبرت انیشتین می‌توان ادعا کرد که جرم یک جسم اندازه انرژی است که آن جسم دارد. این هم ارزی جرم و انرژی با معادله E = mc² بیان می شود. در این حال بایستی بین جرم در حال حرکت و جرم در حال سکون جسم تمایز قایل شود. ممکن است جرم در حال سکون جسم را با نام (جرم سکون) و یا (جرم واقعی) مشخص نمود، برای مثال کوانتای نور یا فوتونها ، دارای هیچگونه جرم در حال سکون نبوده اما دارای جرم در حال حرکت هستند.

فوتونها مثل ذرات بنیادی دیگر یعنی پروتون ، الکترون و پوزیترون نبوده و دارای بار الکتریکی نیستند و نمی‌توانند با سرعتی به غیر از سرعت نور حرکت کنند. بنابرین به ذرات مادی (یا اجسام متحوی ذرات ) که برخلاف فوتونها ، دارای جرم در حال سکون هستند، نام ماده نسبت داده می‌شود. فوتون دارای جرم سکون معادل با صفر است. اما جنبه مادی آن کمتر از ذرات ماده نمی‌باشد.

ظهور جرم نسبیتی

در حالت خاصی از واکنشهای هسته‌ای ، مثلا در شکست هسته اتمی اورانیوم یا پلوتونیوم در اثر جذب نوترون هیچ تغییری در مقدار کل ماده موجود در طبیعت بوجود نمی‌آید. با توجه به اینکه هسته‌های شکسته شده و نوترونهایی که علت شکست آن می‌باشند ، ابتدا در حرکت بوده و با توجه به این مطلب که اجزای غیر مساوی حاصل و نیز نوترونهای تولیدی دارای سرعتهای زیاد می‌باشند، فرمول محاسبه انرژیها و جرمهای ذرات شرکت کننده در این رویداد ، پیچیده‌تر می‌شود، اما نتیجه نهانی به همان ترتیب باقی می‌ماند.

مجموع تمام انرژیها و جرمهای پس از واکنش دقیقا برابر با مجموع تمام انرژیها و جرمهای قبل از واکنش می‌باشد. بطور کاملا مشابهی ، در مورد نابودی جفت ذره‌ای (نابودی متقابل یک الکترون و یک پوزیترون) قاطعانه ثابت شده که مجموع انرژی و جرم فوتون (یا فوتونهای) حاصل ، کاملا با مجموع انرژی و جرم الکترون و پوزیترون از بین رفته برابر است. مطالب فوق نتیجه زیر را به دنبال می‌آورد که جرم و انرژی دو خاصیت متفاوت می‌باشند که با حالات معینی به یکدیگر پیوسته‌اند.

مباحث مرتبط با عنوان

• اندازه حرکت خطی
• انرژی جنبشی
• جرم
• جرم اینرسی
• جرم سکون
• جرم کاهیده
• جرم گرانشی
• جرم موثر
• فشار تبهگنی
• ماده
• نابودی جفت