Закон сохранения массы — Тодд Рамси

Посмотреть полную версию урока: http://ed.ted.com/lessons/the-law-of-conservation-of-mass-todd-ramsey

Абсолютно всё во вселенной обладает массой — от самого маленького атома до самых больших звёзд. Однако масса веществ на протяжении всего существования всегда остаётся неизменной, даже при появлении новых звёзд и при прекращении их существования. Как вселенная может расширяться и при этом сохранять свою массу? Тодд Рамси отвечает на этот вопрос, объясняя закон сохранения массы.

Урок — Тодд Рамси, мультипликация — Vegso/Banyai.

Каково происхождение вещей?

Камня?

Коровы?

Человеческого сердца?

Не вещей самих по себе, конечно,
а того, из чего они состоят, —

атомов, строительных материалов
всего сущего.

Чтобы ответить на этот вопрос,
обратимся к закону сохранения массы.

Согласно закону,
рассмотрим замкнутую систему,

защищённую так, что ни энергия,
ни вещество не проникают в неё.

Внутри такой системы масса,
также известная как вещество и энергия,

не может быть создана или уничтожена.

Вселенная, насколько нам известно,

является замкнутой системой.

Прежде чем перейти к этому вопросу,
рассмотрим систему намного меньше и легче.

Возьмём 6 атомов углерода,
12 атомов водорода

и 18 атомов кислорода.

Применив немного энергии,
молекулы можно привести в действие.

Соединяясь, атомы образуют
хорошо известные нам молекулы.

Например, молекулы воды

и углекислого газа.

Мы не можем создать
или уничтожить массу.

Мы остаёмся с тем, что у нас есть.
Что же тогда мы можем сделать?

Атомы существуют сами по себе.

Давайте разберёмся. Атомы сформировали
по шесть молекул углекислого газа и воды.

Воздействие небольшого количества энергии
может привести к их преобразованию в сахар

и газообразный кислород.

Мы брали 6 атомов углерода,
12 атомов водорода и 18 атомов кислорода.

Применённая энергия
скопилась в соединениях между атомами.

Мы можем повторно высвободить
эту энергию

и преобразовать сахар обратно
в воду и углекислый газ,

т.е. получить исходные атомы.

Давайте уберём несколько атомов
и попробуем получить что-то взрывоопаснее.

Например, метан, который в основном
ассоциируется с выделением газов,

а также используется как ракетное топливо.

Добавив немного атомов кислорода
и применив энергию,

к примеру, от пламени спички,

мы получим двуокись углерода,
воду и ещё большее количество энергии.

Обратите внимание, перед реакцией
в метане было 4 атома водорода.

В конце также осталось 4 атома водорода,
которые преобразовались в 2 молекулы воды.

В заключение
рассмотрим пропан — ещё один горючий газ.

Добавляем атомы кислорода, поджигаем...
Ба-бах!

Ещё больше молекул воды
и углекислого газа.

В этот раз мы получили 3 молекулы СО2,

так как молекула пропана
изначально содержала 3 атома углерода,

и они не могут никуда исчезнуть.

С таким небольшим количеством атомов
можно создать множество реакций.

Закон сохранения массы тем не менее
остаётся всегда неизменным.

В какую бы реакцию
не вступили бы вещество и энергия,

их количество после реакции
будет таким же, как и до реакции.

Если массу нельзя создать или уничтожить,

то что же является первоисточником атомов?

Давайте повернём время вспять.

Дальше... дальше... дальше...
слишком далеко.

Вот он!

Большой взрыв.

Водород образовался
из раскалённого моря элементарных частиц

через три минуты
с момента образования нашей вселенной.

В результате скопление групп атомов
привело к образованию звёзд.

Ядерная реакция внутри звёзд
соединила лёгкие химические элементы,

такие как водород и гелий.

Так произошли более тяжёлые элементы,
такие как углерод и кислород.

На первый взгляд может показаться,
что всё это нарушает законы физики.

При реакции выделяется
огромное количество энергии,

казалось бы, из ниоткуда.

Тем не менее благодаря знаменитому
уравнению Эйнштейна

нам известно, что энергия равна массе.

Получается, что суммарная масса
первоначальных атомов

ненамного больше массы
получившихся атомов.

То есть, потеря массы соответствует
выделенной энергии,

которая исходит от звёзд в виде света,
тепла и частиц высокой энергии.

Впоследствии появилась сверхновая звезда,

рассеивающая свои частицы в космосе.

Словом, эти частицы встретили друг друга,
а также атомы других сверхновых,

сформировали Землю,

а спустя 4,6 миллиарда лет
они собрались, чтобы сыграть свою роль

в нашей маленькой замкнутой системе.

Но они едва ли столь же интересны,
как атомы, из которых состоит человек,

или корова,

или камень.

Вот почему, согласно знаменитому
высказыванию Карла Сагана,

мы все состоим из звёздной пыли.