Отрадно было обнаружить, что широкий круг обобщений, полученных при обычных условиях, справедлив для радикально новых условий. А как обстоит дело с сохранением массы?

Рассмотрим, например, излучение α-частицы атома урана. Наиболее распространенная разновидность атома урана U ²³⁸состоит из 238 нуклонов и, следовательно, имеет массовое число 238. а-Частица является ядром Не ⁴и имеет массовое число 4. Когда атом U ²³⁸излучает а-частицу, из него вылетают 4 нуклона, и он перестает быть U ²³⁸. Он становится изотопом тория, содержащим 234 нуклона Th ²³⁴.

Запишем реакцию в виде уравнения:

U ²³⁸→ Th ²³⁴+Не ⁴

Менее распространенный изотоп урана U ²³⁵, излучая α-частицу, превращается в Th ²³¹. И, наконец, изотоп тория Th ²³²(единственный изотоп этого элемента, встречающийся в природе в достаточных количествах) испускает α-частицу, становясь изотопом радия (Ra ²²⁸), т. е.

U ²³⁵→ Th ²³¹+He ⁴;

Th ²³²→ Ra ²²⁸+ He ⁴.

Во всех трех случаях сумма массовых чисел двух образующихся частиц равна массовому числу исходной частицы. Запишем в виде уравнения реакцию, являющуюся источником солнечной энергии:

4Н ¹→ Не ⁴.

Массовое число атома водорода-1 равно единице, а массовое число четырех таких атомов равно 4, т. е. массовому числу изотопа гелия.

При таком рассуждении кажется, что масса сохраняется при всех радиоактивных превращениях и вообще во всех ядерных реакциях, происходящих с обычными атомами. Но это неверно.

Масса нуклонов не равна точно единице. Если мы хотим проверить, сохраняется ли масса, следует использовать самые точные значения, которые удалось получить физикам. Например, масса ядра водорода-1, согласно наиболее точным измерениям, равна 1,00797. Значит, масса четырех ядер водорода равна 4,03188, а масса одного ядра гелия-4 — 4,00280. Когда четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия, масса изменяется от 4,03188 до 4,00280, следовательно, масса 0,02908 исчезает.

Величина этой исчезнувшей массы, равной примерно ¹/ ₃₄массы нуклона, кажется малой, но она слишком велика, чтобы ею можно было пренебречь. Если закон сохранения массы справедлив, он не должен зависеть от точности измерений.

При тщательном исследовании ядерных реакций всегда обнаруживали небольшое расхождение между массами атомов в начале и в конце реакции. Следовательно, закон сохранения массы, установленный Лавуазье двести лет назад, не всегда выполняется, по крайней мере в атомном мире. Иными словами, обобщение оказалось не совсем законным.

С изобретением прибора, названного масс-спектрографомпоявилась возможность измерить массу отдельных атомных ядер с такой точностью, чтобы обнаружить несостоятельность закона сохранения массы. Прибор был сконструирован английским физиком Фрэнсисом Уильямом Астоном в 1919 году и через несколько лет получил всеобщее признание. Однако к этому времени ошибочность обобщения Лавуазье, так долго служившего основой химии, не была еще полностью доказана. Правда, она была предсказана еще в 1905 году физиком Альбертом Эйнштейном (уроженцем Германии, в то время работавшим в Швейцарии) на основе убедительных теоретических соображений.

Теория Эйнштейна, названная специальной теорией относительности,возникла как следствие неспособности физиков измерить изменения скорости света при условиях, когда законы движения Ньютона предсказывали, что такие изменения должны быть. Поэтому Эйнштейн попытался создать систему обобщений, в которой скорость света оставалась бы неизменной.

Предположения Эйнштейна в корне отличались от ньютоновских, но в обычных условиях обе теории приводили к одинаковым выводам. (Это необходимо, так как Вселенная остается Вселенной, и ее свойства не меняются в зависимости от теории.) Разница между эйнштейновским и ньютоновским взглядами на Вселенную становилась заметной только при исключительно больших скоростях, близких к скорости света.

Эти исключительные условия были изучены, и в каждом случае обнаружено большее соответствие теории Эйнштейна. Специальная теория относительности Эйнштейна теперь окончательно принята физиками, и в течение полувековых исследований ничто еще не потрясло ее основы [11].

Основное положение теории Эйнштейна состоит в том, что ни одна из измеренных скоростей не может быть больше скорости света в вакууме. Максимальная измеренная скорость равна 299 792,5  км/сек,или приблизительно 3 ·10 ¹⁰ см/сек.Кроме того, теория рассматривает массу и энергию как разные формы одной и той же сущности. Масса ведет себя как чрезвычайно компактная форма энергии, а энергия является распределенной формой массы. Эйнштейн вывел соотношение между этими двумя формами, которое выражается ставшим теперь знаменитым уравнением

е= тс ²,

где еобозначает энергию, т— массу, а с от латинского слова celeritas, означающего «скорость», — скорость света в вакууме.

Если в этом уравнении массу выразить в граммах, скорость света — в сантиметрах в секунду, то энергия получится в эргах. Поскольку скорость света очень велика, а квадрат ее еще больше, крошечной массе соответствует громадная энергия. Так, массе в 1  гсоответствует энергия, равная 9 10 ²⁰ г·см ²/сек ²,или 9 ·10 ²⁰ эрг.Эквивалентом этого количества энергии является энергия 100-ваттной лампочки накаливания, горящей в течение тридцати пяти тысяч лет.

Из эквивалентности массы и энергии по теории Эйнштейна следует, что если система теряет энергию, то она теряет эквивалентную этой энергии массу, и наоборот.

Понятно, почему при обычных химических реакциях кажется, что масса сохраняется, — изменения энергии такого порядка, что вызывают неизмеримо малые изменения массы. Рассмотрим, например, сгорание бензина, химическую реакцию, при которой выделяется довольно большое количество энергии. Литр бензина весит 700  ги выделяет, сгорая, 8 000 000 кал,или 3,4 ·10 ¹⁴ эрг,которые эквивалентны всего лишь 4 ·10 ^{- 7}г.

Заметить исчезновение четырех десятимиллионных грамма из общей массы порядка тысячи граммов было за пределами возможностей химии XIX века. Поэтому даже наиболее точные измерения не обнаружили противоречия в законе сохранения массы. Закон сохранения массы используется до сих пор при рассмотрении химических реакций.

В ядерных реакциях изменения энергии столь значительны, что эквивалентностью массы и энергии уже нельзя пренебречь. Если следить за изменением одной только массы, кажется, что закон сохранения нарушается.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим соотношение между массой и энергией в единицах атомной шкалы масс. Тогда в уравнение е = тс ²будет входить не 1  гмасссы, а масса 1 по атомной весовой шкале, приблизительно равная весу ядра атома водорода-1, самого легкого из известных атомных ядер. В действительности масса 1 по атомной шкале равна 1,67 ·10 ^-24 г.

Несмотря на громадную величину с ², энергия, которой эквивалентна такая ничтожная масса, составляет только 0,0015 эрг.

В обычных повседневных масштабах 0,0015 эргдействительно величина небольшая, но по атомной шкале она равна примерно одному миллиарду электронвольт — это уже внушительная цифра. По данным последних измерений, масса 1 по шкале атомных весов эквивалентна 0,931478 Гэвили 931,478 Мэв.

Если положить массу ядра водорода равной 1,00797, она будет эквивалентна энергии 0,938 905 Бэв,а масса четырех таких ядер водорода эквивалентна энергии 3,75562 Гэв.С другой стороны, масса ядра гелия, равная 4,00280 по шкале атомных весов, эквивалентна энергии 3,72803 Гэв.Когда четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия, потеря массы, следовательно, составляет 0,02759 Гэвили 27,59 Мэв.Измеренная величина выделяющейся при этой реакции энергии оказалась очень близка к теоретической. Исследования показали, что во всех ядерных реакциях такого типа выделенная энергия соответствует исчезнувшей массе согласно уравнению Эйнштейна. В результате стало привычным говорить не о законе сохранения только массы или только энергии, а о законе сохранения массы и энергии.Однако можно говорить просто о законе сохранения энергии, имея в виду, что масса есть форма энергии. Именно так я буду поступать в дальнейшем.