Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

слово «тело». Главная новость этой прогулки состоит в том, что есть одно «не тело», для которого все по-другому. Никакому смертному мужу не дано было убить главного назгула, но, согласно Толкину, Эовин (рис. 5.2) успела крикнуть ему: «Я – не муж!», после чего заколола[77]. Примерно то же и тут: имеется не тело, а нечто другое, что движется (распространяется, как часто говорят) особым образом. Это свет. Скорость света в пустоте одна и та же для всех наблюдателей: для вас в суперракете, для меня в ракете середины XXI в. и для провожающих на Земле.

Рис. 5.2. Эовин: «Я – не муж!»

Все скорости относительны, кроме одной абсолютной

Это обстоятельство выражают словами «скорость света абсолютна» (в таких случаях всегда, даже когда не упоминается явно, подразумевается скорость света в пустоте). Все скорости относительны, кроме скорости света, которая абсолютна. Все остальные скорости – это про две сущности (что-то одно движется относительно чего-то другого), но скорость света «сама по себе»: какое бы мельтешение (взаимное движение) ни устраивали разнообразные другие сущности, свету нет до этого дела, его скорость одна и та же для всех. Не надо прибавлять или вычитать скорость наблюдателя относительно источника света. Она просто не имеет значения – даже если она составляет половину (или три четверти, или девять десятых) скорости света.

Так устроена наша Вселенная, и сам по себе этот факт не вызывает сомнений уже сто с лишним лет. Другой вопрос – как примирить его со здравым смыслом? Ведь никакая скорость, казалось бы, не может быть абсолютной: если кто-то обгоняет вас, просто прибавьте хода, чтобы его скорость относительно вас стала равной нулю.

Короткий ответ: не примирить никак. Наш опыт, наша интуиция и навыки никаким образом не включают эффекты, непосредственно затрагивающие скорость света. Длинный же ответ на вопрос о «примирении со здравым смыслом» – это все книги, лекции, видео и прочие материалы, созданные за последние сто с лишним лет, авторы которых с разной степенью умения и остроумия излагают странные явления, которые не так легко «представить себе воочию», – излагают в надежде, что к ним удастся в конце концов привыкнуть. Эта прогулка не исключение, потому что единственная реальная альтернатива – это профессиональное погружение в предмет. А как, спрашивается, обстоит дело с «представить себе воочию» у профессионалов? Трудностей с тем, чтобы вообразить невообразимое, все равно никто не отменял, просто фокус внимания переносится на другое: на ясное понимание логического (в значительной части – математического) аппарата. Вместо интуиции «здравого смысла» проводником в непривычный, контринтуитивный мир служит логическая безупречность. Коль скоро во всей логической схеме нет внутренних противоречий, ее можно с успехом применять; главное – не делать ошибок по дороге.

Надо сказать, что та схема, которая прочно сидит в нашей голове и воспринимается как совершенно естественная, – та, где скорости всегда просто вычитаются (скорость света минус половина скорости света, как мы наивно ожидали, глядя на рис. 5.1) или складываются (скорость самолета в воздухе плюс скорость воздуха относительно побережья Гренландии), – это тоже логически непротиворечивая, математически последовательная схема. Как таковая она имеет полное право на существование. Она могла бы, наверное, работать, но этого не случилось в нашей Вселенной. Ее устройство основано на другой схеме, которая проявляет себя несколькими неожиданными способами – затрагивая не только движение, но и энергию, ход времени и даже концепцию прошлого и будущего.

Начнем с проявлений, затрагивающих энергию, – они довольно многочисленны.

*****

Энергия из массы. Каждое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (простейшее – ядро атома водорода – это один протон), но масса каждого ядра несколько меньше, чем суммарная масса протонов и нейтронов, из которых оно сложено. Методы определения массы сначала атомов, а затем непосредственно атомных ядер непрерывно совершенствуются уже в течение более ста лет, и сейчас массу ядер можно определять с точностью свыше одной миллионной доли, а массы протона и нейтрона известны даже с еще большей точностью. В большинстве атомных ядер обнаружился недостаток массы по сравнению с массой всех взятых по отдельности протонов и нейтронов. В расчете на каждый протон-или-нейтрон этот недостаток – дефект, как его называют, – равен 8 или даже 8,5 в тех единицах, в которых масса протона примерно равна 938,272, а масса нейтрона – 939,565. Слово «дефект» указывает, что «в собранном виде меньше»: несколько менее 1 % суммарной массы нейтронов и протонов «исчезает» при их соединении в атомное ядро.

Целое имеет меньшую массу, чем сумма всех его частей

Объяснение этого явления может показаться отвлеченно-теоретическим; вероятно, оно таким и является, но стоит помнить, что именно оно работает во всех проявлениях атомной/ядерной энергии, мирных и не мирных. Устойчивые или относительно устойчивые атомные ядра (а мир вокруг нас сложен в основном из устойчивых) удерживаются «в собранном виде» ядерными силами[78]. Ключевое слово – «удерживаются». Чтобы разобрать ядро на части, требуется затратить некоторую энергию. Эта энергия служит мерой дефекта массы: она оказывается равной «пропавшей» массе, умноженной на квадрат абсолютной скорости.

E = mc2

Возможно, при каком-то другом стечении исторических случайностей этот факт сначала открыли бы экспериментально, изучая ядерные превращения. Но получилось так, что его предсказали теоретически на основе размышлений о свойствах движения при наличии абсолютной скорости, вне всякой связи с атомными ядрами – про которые, кстати, на тот момент не было известно вообще ничего. Знание, выглядевшее весьма абстрактным, оказалось более чем практическим через тридцать с лишним лет, когда с его помощью стали рассчитывать энергию, выделяемую при ядерных превращениях: теоретическое положение о том, что масса, умноженная на скорость света в квадрате, есть энергия, появилось в статье Эйнштейна «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» в 1905 г. [66], а сообщение Гана и Штрассмана, что ядра урана делятся («Об обнаружении и свойствах щелочно-земельных металлов, полученных облучением урана нейтронами» [77]), было опубликовано 6 января 1939 г. Первое же испытание атомной бомбы было произведено 16 июля 1945 г.

Я не могу сдержаться и не отвлечься от