E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира - Боданис Дэвид

Попытка нагнать луч света и увидеть его словно бы неподвижно стоящим на месте, равносильна заявлению: «Желаю увидеть размытые дуги, которые описываются мячами жонглера, но чтобы сами мячи при этом не двигались». Так не бывает. Увидеть размытые очертания жонглерских мячей можно лишь тогда, когда они летят по воздуху, и летят быстро.

Эйнштейн пришел к выводу, что свет может существовать, лишь как стремительное движение световой волны. Мысль эта таилась в работах Максвелла более сорока лет, однако никто ее там не обнаружил.

Это новое понимание природы света изменило все, ибо скорость света стала фундаментальным пределом любой скорости, какую можно развить в нашей вселенной — быстрее не способно двигаться ничто.

Тут легко впасть в заблуждение. Если вы уже движетесь со скоростью 299999999 м/с, разве не можете вы добавить в двигатель топлива и развить скорость чуть большую — 300000000, а там и 300000001 м/с — и обогнать свет? Ответ состоит в том, что нет, не можете, и нынешнее состояние земной техники тут решительно ни при чем.

Чтобы понять это, следует помнить, что скорость света есть не просто число, она связана с физическим процессом. Если я скажу вам, что -273 (отрицательное 273) это самое малое из существующих чисел, вы ответите мне, что я заблуждаюсь, и будете совершенно правы: число -274 меньше, — 275 еще меньше и так можно продвигаться до бесконечности. Но предположим, что мы говорим о температуре. Температура вещества это показатель активности движения частиц, из которых оно состоит, и существует некая точка, при достижении которой, частицы эти вибрировать перестают вообще. Это происходит примерно при -273 градусов по Цельсию, и по этой причине -273 и называют «абсолютным нулем», — если речь идет о температуре. Чистые числа могут быть и меньшими, а вот физические показатели не могут: ни монета, ни снегоход, ни гора не способны вибрировать еще слабее, если они уже полностью перестали вибрировать.

То же и со светом. 300000000 м/с, число, измеренное Ремером для, распространявшегося от Юпитера света, представляет собой еще и утверждение о том, на что похож сам свет. То есть о физическом «явлении». Свет всегда будет подобием чехарды — электричество «выскакивает» из магнетизма, затем магнетизм из электричества, и оба они стремительно улетают от всего, что пытается их нагнать. Именно поэтому скорость света и составляет высший предел любых скоростей.

Мысль интересная, может сказать циник, но даже если верхний предел скорости существует, нам-то что с того? Как может влиять его существование на движение тел во вселенной? Ну поставьте на шоссе щит с надписью: «Внимание: скорость, превышающая 300000000 м/с достигнута быть не может!» — машины все равно будут проноситься мимо него так, точно его там нет.

Ой ли? Именно здесь вся аргументация Эйнштейна делает полный круг и возвращается к своему истоку: здесь он показывает, что удивительные свойства света — то обстоятельство, что он по самой природе своей неизменно ускользает от нас и потому его скорость представляет собой верхний предел любой другой, — наконец-то, по-настоящему соотносится с природой энергии и массы. Чтобы понять, как это происходит, давайте рассмотрим пример, являющийся производным от того, которой приводил сам Эйнштейн.

Предположим, что некий космический корабль летит со скоростью, очень близкой к скорости света. При нормальных обстоятельствах, когда он движется медленно, подкачка энергии в двигатели корабля позволяет увеличить его скорость. Однако, когда скорость эта почти достигает скорости света, все изменяется. Лететь еще быстрее корабль попросту не может.

Пилот корабля не желает смириться с этим и начинает лихорадочно щелкать переключателями на пульте управления двигателем, стараясь разогнать корабль посильнее. И, разумеется, видит, как любой луч света, замеченный им впереди корабля, уносится от него на полной скорости «с». Что, собственно говоря, видит и любой другой наблюдатель. Как ни старается пилот, догнать свет его кораблю не удается. Но что же происходит?

Представьте себе компанию студентов, забившуюся в телефонную будку, представьте их лица, приплющенные к ее стеклянным стенкам. Представьте парад с вьющимся над ним надувным шаром, соединенным с насосом, отключение которого по какой-то причине оказывается невозможным. Шар начинает раздуваться и приобретает размеры намного большие тех, какие для него были задуманы. Примерно то же происходит и с космическим кораблем. Двигатели его ревут, перекачивая энергию, однако скорость корабля от этого не возрастает, поскольку ничто не может перемещаться быстрее света. Но ведь и энергия попросту исчезнуть тоже не может.

В результате, энергия, накачиваемая в двигатель, «сжимается» и обращается в добавочную массу. Сторонний наблюдатель видит, как начинает расти масса корабля. Поначалу совсем немного, однако по мере того, как продолжается подкачка энергии, масса все увеличивается и увеличивается. Корабль словно бы «раздувается».

Звучит довольно нелепо, и тем не менее, у сказанного имеются экспериментальные подтверждения. Если начать разгонять протоны, обладающие в неподвижном состоянии «единицей» массы, то поначалу они будут, как вы и ожидаете, набирать скорость. Однако затем, когда эта скорость приблизится к световой, наблюдатель обнаружит изменения, происходящие с самими протонами. Это явление наблюдается в ускорителях, расположенных под Чикаго, в ЦЕРНе (европейском центре ядерных исследований), который находится неподалеку от Женевы, — да, собственно, и везде, где работают физики. Сначала протоны, «раздуваясь», приобретают массу, равную двум единицам, — становятся в два раза тяжелее, чем были в начале эксперимента, — затем равную трем и так далее, — масса продолжает расти, пока в протоны накачивается энергия. При скорости, составляющей 99,9997 процентов «с», протоны становятся в 430 раз тяжелее, чем были. (При этом из окрестных электростанций забирается такая энергия, что эксперименты подобного рода приходится назначать на поздние ночные часы, — дабы от местных жителей не посыпались жалобы на перебои со светом.)

А происходит следующее: той энергии, которая накачивается в протоны или в наш воображаемый космический корабль, приходится обращаться в добавочную массу. Как и утверждает уравнение: «Е» может превращаться в «m», а «m» в «Е».

Это и объясняет присутствие «с» в уравнении. В нашем примере, в котором вы пытаетесь подобраться к скорости света, связь между массой и энергией становится особенно ясной. Число «с» есть просто-напросто коэффициент преобразования, показывающий, как работает эта связь.

Всякий раз, как вы связываете две развивавшихся независимо одна от другой системы, возникает необходимость в некотором коэффициенте преобразования. Чтобы перевести температуру из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта, вы умножаете ее величину по Цельсию на 9/5 и затем прибавляете 32. Для перехода от сантиметров к дюймам используется другое правило: сантиметры умножаются на 0,3937.

Коэффициенты преобразования выглядят произвольными, но лишь потому, что они связывают друг с другом отдельно развивавшиеся системы. Дюймы, к примеру, появились в средневековой Англии и имели своей основой длину большого пальца человека. Большие пальцы это превосходная портативная мерка, поскольку даже от наибеднейшего бедняка можно ожидать, что он принесет их с собой на рынок. Сантиметр же приобрел популярность столетия спустя, во время Французской революции, его определили как одну миллиардную расстояния от экватора до северного полюса, измеренного вдоль проходящего через Париж меридиана. Нет ничего удивительного в том, что согласование двух этих систем сопряжено с некоторыми затруднениями.

Энергия и масса также рассматривались в течение веков как вещи совершенно различные. Представления о них развивались, не соприкасаясь друг с другом. Энергия мыслилась в лошадиных силах или в киловатт-часах; массу измеряли в фунтах, килограммах, тоннах. Связывать эти единицы никому в голову не приходило. Никто и в мыслях не имел того, до чего додумался Эйнштейн: энергия и масса могут «естественным» образом переходить одна в другую, как мы уже видели на примере космического корабля, а связывающим их коэффициентом преобразования является «с».