Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Brian Cox and Jeff Forshaw

Why Does E=mc²

(And Why Should We Care?)

Научный редактор: Игорь Красиков

Издано с разрешения Apollo’s Children Ltd and Jeff Forshow и литературного агентства Diane Banks Associates Ltd

Книга рекомендована к изданию Романом Петренко

Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая фирма «Вегас-Лекс».

* * *

Посвящается членам наших семей, а именно: Джиа, Мо, Джорджу, Дэвиду, Барбаре, Сандре, Наоми, Изабель, Сильвии, Томасу и Майклу

Предисловие

Наша цель – как можно проще описать теорию пространства-времени Эйнштейна и в то же время раскрыть перед вами ее глубинную красоту. В конечном счете это позволит нам получить знаменитое уравнение E = mc², не углубляясь в дебри математики и не используя ничего сложнее теоремы Пифагора. И не волнуйтесь, если вы ее не помните, мы расскажем вам и об этом. Не менее важна и другая цель: мы хотим, чтобы каждый, кто дочитает эту небольшую книгу до конца, получил представление о том, как современные физики воспринимают окружающий мир и как создают свои весьма полезные теории, которые в корне меняют нашу жизнь. Построив модель пространства и времени, Эйнштейн проложил путь к пониманию того, как загораются и светят звезды, открыл глубинные причины работы электродвигателей и генераторов электрического тока и, по сути, заложил фундамент всей современной физики.

Эта книга задумана как провокативная и бросающая вызов. К самой физике вопросов нет: теория Эйнштейна очень хорошо обоснована и подтверждена огромным количеством экспериментальных данных. Важно подчеркнуть, что в свое время этой теории, возможно, придется уступить место еще более точной картине мира. В науке нет универсальных истин, есть только представления об окружающем мире, которые еще не опровергнуты как ложные. Мы можем с уверенностью сказать лишь одно: теория Эйнштейна пока работает. Провокативность книги в том, что наука заставляет нас задуматься об устройстве Вселенной. У каждого из нас, будь то ученые или обычные люди, свои, интуитивные взгляды на мир, проистекающие из повседневного опыта. Однако, подвергнув их холодному и точному научному анализу, мы часто обнаруживаем, что природа противоречит нашей интуиции. В ходе чтения мы выясним, что при высоких скоростях понятия о пространстве и времени, основанные на здравом смысле, становятся непригодными и должны быть заменены чем-то новым, неожиданным и красивым. Этот урок, одновременно благотворный и смиряющий, вызывает у многих ученых чувство благоговения: Вселенная гораздо богаче, чем можно себе представить исходя из повседневного опыта. Но, пожалуй, самое замечательное, что новой физике во всем ее многообразии свойственна удивительная математическая элегантность.

Как ни трудно в это поверить, но, по сути, наука не такая уж сложная система знаний. Можно даже сказать, что наука – это попытка устранить все наши предрассудки, чтобы мы могли взглянуть на мир максимально объективно. Несмотря на определенные проблемы в достижении этой цели, мало кто поставит под сомнение способность науки объяснить нам устройство Вселенной. В действительности самое трудное – научиться не доверять тому, что мы называем здравым смыслом. Внушая нам мысль о необходимости принимать природу такой, какая она есть, а не какой должна быть согласно нашему предвзятому мнению, научный метод породил современный технологический мир. Короче говоря, научный метод работает.

В первой половине книги мы займемся выведением уравнения E = mc². Под «выведением» мы подразумеваем демонстрацию того, каким образом Эйнштейн пришел к выводу, что энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, как гласит уравнение. Задумайтесь на минуту над этим соотношением, и оно покажется вам донельзя странным. Наверное, наиболее знакомый нам вид энергии – энергия движения. Если кто-то бросит в вас крикетный мяч и попадет в лицо, вы прекрасно ощутите эту энергию в виде боли. Физик может сказать, что бросающий передал энергию мячу и она оказалась передана вашему лицу, остановившему мяч. Масса – это мера количества материи, содержащейся в объекте. Крикетный мяч массивнее теннисного, но менее массивен, чем булыжник или целая планета. Уравнение E = mc² говорит о том, что понятия массы и энергии взаимозаменяемы, как, например, доллар и евро, а квадрат скорости света представляет собой обменный курс. Но как же Эйнштейн мог прийти к такому выводу? И как скорость света попала в уравнение, связывающее энергию и массу? Мы не предполагаем наличия у читателя каких-либо предварительных научных знаний и стараемся по возможности избегать математических формул, но тем не менее все же стремимся предоставить настоящее, истинно научное (а не просто популярное) объяснение. В связи с этим надеемся предложить вам нечто новое.

В последних главах книги мы увидим, что уравнение E = mc² лежит в основе нашего понимания устройства Вселенной. Почему светят звезды? Почему ядерная энергия гораздо эффективнее угля или нефти? Что такое масса? Эти вопросы приведут нас в мир современной физики элементарных частиц, Большого адронного коллайдера (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) в Женеве, а также к поиску частицы Хиггса[1], которая поможет объяснить происхождение массы. Книга завершается рассказом о замечательном открытии Эйнштейна, доказывающем, что структура пространства и времени отвечает за гравитацию, и странной идеей по поводу того, что Земля «падает по прямой линии» вокруг Солнца.

1. Пространство и время

Что для вас значат слова «пространство» и «время»? Возможно, вы представляете себе пространство как тьму между звездами, которую видите, глядя на небо холодной зимней ночью? Или как пустоту между Землей и Луной, в которой мчится космический корабль со звездами и полосами, пилотируемый парнем по имени Базз[2]? Время можно представить как тиканье ваших часов или осеннее превращение листьев из зеленых в красные и желтые, когда Солнце проходит по небу все ниже в пятимиллиардный раз. Мы все интуитивно ощущаем пространство и время; они – неотъемлемая часть нашего существования. Мы движемся через пространство на поверхности голубой планеты, пока время ведет свой отсчет.

Ряд научных открытий, сделанных в последние годы XIX столетия на первый взгляд в совершенно не связанных между собой областях, побудил физиков пересмотреть простые и интуитивные картины пространства и времени. В начале XX века Герман Минковский, коллега и учитель Альберта Эйнштейна, написал свой знаменитый некролог древней сфере с орбитами, по которым путешествовали планеты: «Отныне пространство само по себе и время само по себе превратились не более чем в тени, и имеется только своего рода смешение этих двух понятий».

Что Минковский подразумевал под смешением пространства и времени? Чтобы разобраться в сути этого почти мистического утверждения, необходимо понять специальную теорию относительности Эйнштейна, которая представила миру наиболее известное из всех уравнений, E = mc², и навсегда поместила в центр нашего понимания устройства Вселенной величину, обозначаемую символом c – скорость света.

Специальная теория относительности Эйнштейна – это фактически описание пространства и времени. Центральное место в ней занимает понятие особой скорости, которую невозможно превзойти никаким ускорением, каким бы сильным оно ни было. Эта скорость – скорость света в вакууме, составляющая 299 792 458 метров в секунду. Путешествуя с такой скоростью, луч света, покинувший Землю, через восемь минут пролетит мимо Солнца, за 100 тысяч лет пересечет нашу Галактику Млечный Путь, а через два миллиона лет достигнет ближайшей соседней галактики – Туманности Андромеды. Сегодня ночью крупнейшие телескопы Земли будут вглядываться в черноту межзвездного пространства и ловить древние лучи света от дальних, давно умерших звезд на краю наблюдаемой Вселенной. Эти лучи начали свое путешествие более 10 миллиардов лет назад, за несколько миллиардов лет до возникновения Земли из сжимающегося облака межзвездной пыли. Скорость света велика, но далеко не бесконечна. По сравнению c огромными расстояниями между звездами и галактиками она может казаться удручающе низкой – настолько, что мы в состоянии ускорить очень малые объекты до скоростей, отличающихся от скорости света на доли процента, с помощью такой техники, как 27-километровый Большой адронный коллайдер в Европейском центре ядерных исследований в Женеве.

Существование специальной, предельной космической скорости – достаточно странная концепция. Как мы узнаем позже из этой книги, связь этой скорости со скоростью света – своего рода подмена понятий. Предельная космическая скорость играет гораздо более важную роль во Вселенной Эйнштейна, и есть веская причина, по которой луч света перемещается именно с данной скоростью. Однако мы к этому еще вернемся. А пока достаточно сказать, что по достижении объектами этой особой скорости начинают происходить странные вещи. Как можно предотвратить превышение объектом этой скорости? Это выглядит так, словно существует универсальный закон физики, не позволяющий вашей машине разогнаться свыше 90 километров в час, независимо от мощности двигателя. Но в отличие от ограничения скорости автомобиля выполнение этого закона обеспечивается не какой-то неземной полицией. Его нарушение становится абсолютно невозможным благодаря самому построению ткани пространства и времени, и это исключительное везение, поскольку в противном случае мы имели бы дело с очень неприятными последствиями. Позже мы увидим, что если бы можно было превышать скорость света, то мы могли бы построить машину времени, переносящую нас в любую точку истории. Например, мы могли бы отправиться в период до нашего рождения и случайно или преднамеренно помешать встрече родителей. Это неплохой сюжет для фантастической литературы, но не для создания Вселенной. И действительно, Эйнштейн выяснил, что Вселенная устроена совсем не так. Пространство и время настолько тонко переплетены, что подобные парадоксы недопустимы. Однако все имеет свою цену, и в данном случае эта цена – наш отказ от глубоко укоренившихся представлений о пространстве и времени. Во Вселенной Эйнштейна движущиеся часы идут медленнее, движущиеся объекты сокращаются в размере и мы можем путешествовать на миллиарды лет в будущее. Это Вселенная, где человеческая жизнь может растянуться почти до бесконечности. Мы могли бы наблюдать угасание Солнца, испарение океанов, погружение Солнечной системы в вечную ночь, рождение звезд из облаков межзвездной пыли, формирование планет и, возможно, зарождение жизни в новых, пока еще не сформировавшихся мирах. Вселенная Эйнштейна позволяет нам путешествовать в далекое будущее, вместе с тем удерживая двери в прошлое плотно закрытыми.

Вперед