Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

интервал2 = время2 − расстояние2.

Легко преобразовать это выражение, разделив обе стороны на интервал2 и получить:

1  = (время2 / интервал2) − (расстояние2 / интервал2).

Далее, умножим обе стороны на массу2, где масса есть масса некоторой частицы, о которой мы в данный момент думаем (атом урана, лягушка, Юпитер). Этот шаг дает:

масса2 = (масса × время / интервал)2 − (масса × расстояние / интервал)2.

Поскольку расстояние / интервал напоминает обычное выражение для скорости, а масса, умноженная на скорость, есть определение импульса (глава 3), мы можем подозревать, что второе слагаемое справа является релятивистским выражением для квадрата импульса. Я не буду вдаваться в подробности, но это подозрение подтверждается при рассмотрении столкновения двух частиц, в котором обнаруживается, что полная величина масса × расстояние / интервал при столкновении остается неизменной. Одним из центральных принципов физики, как мы видели в главе 3, является «сохранение импульса», принцип, говорящий о том, что, какие бы сложные события ни происходили при столкновении двух тел, полный импульс остается неизменным, так что для этого отождествления есть основания.

Но что означает первое слагаемое справа? Если мы напишем уравнения для столкновения двух частиц, то обнаружим, что величина масса × время / интервал тоже остается неизменной при столкновении, даже если происходит множество сложных индивидуальных событий. Другим великим принципом физики, как мы видели в главе 3, является сохранение энергии. Наблюдения заставляют предполагать, что мы должны отождествить масса × время / интервал с энергией и переписать последнее уравнение в виде:

масса2 = энергия2 − импульс2.

Отождествление величины масса × время / интервал с энергией также подтверждается демонстрацией того, что, подобно импульсу, она сохраняется при столкновении. Одним следствием из этого выражения, подобно выражению для интервала, является то, что, так же как пространство и время мыслятся объединенными в пространство-время, импульс и энергия должны мыслиться как две стороны комбинированной величины, которую можно назвать, хотя это делают редко, неуклюжим именем импульс-энергия. Масса, согласно этому выражению, вычисляемая из энергии и момента, так же как интервал, вычисляемый из времени и расстояния, является инвариантом, свойством, которое находят одинаковым все наблюдатели, как бы быстро они ни двигались.

Теперь мы можем перейти к нашему итоговому заключению. Предположим, что частица неподвижна в нашей инерциальной системе — это может быть кусок железа, который мы держим в руке. Поскольку частица является неподвижной, ее импульс равен нулю; таким образом выражение масса2 = энергия2 − импульс2 превращается в масса2 = энергия2, и мы немедленно заключаем, что масса = энергия, именно то, что мы хотели вывести. Вам следует обратить внимание, что это необычайно важное выражение является прямым следствием геометрии пространства-времени в сочетании с двумя физическими законами сохранения, позволяющими нам отождествить термины.

Наше исследование геометрии пространства-времени привело нас к заключению, что масса и энергия эквивалентны. Мы должны заключить, что если из области уходит энергия, то масса в этой области уменьшается. Если энергия втекает в область, то масса в этой области возрастает. На практике разница в массе для обычных объектов вполне пренебрежима. Например, разница в массе 10-килограммового пушечного ядра при комнатной температуре и температуре 1000 К составляет лишь 50 пикограмм (50 миллионно-миллионных грамма), что совершенно невозможно обнаружить (с помощью современных технологий). Изменения энергии, сопровождающие перестройку субатомных частиц, протонов и нейтронов, составляющих атомные ядра, много больше, чем изменения, получаемые простым нагреванием пушечных ядер. Ядерный распад является процессом, в котором ядро атома распадается на два более маленьких ядра, что дает возможность протонам и нейтронам в ядре занять энергетически более выгодные положения и, следовательно, освободить излишек энергии. Когда 10 килограммов урана-235 подвергается распаду, освобождаемая энергия соответствует потере целых 10 граммов массы. Это эквивалентно энергии, выделяемой 30 тысячами тонн угля. Геометрия удивительно могущественна.

Значительная часть этой главы до сих пор основывалась на избавлении от фундаментальной константы, скорости света, и на упрощении результирующих выражений. Теперь мы перейдем к избавлению от другой фундаментальной константы и таким путем достигнем еще более глубокого понимания природы (мы наблюдали этот процесс в главе 3, где мы удалили механический эквивалент теплоты и были вознаграждены термодинамическими прозрениями). Я подозреваю, что, если бы мы избавились от всех фундаментальных констант, мы поняли бы Природу в совершенстве! Именно здесь мы подходим к Великой Идее, являющейся сердцем этой главы. У Эйнштейна ушло более десятилетия на переход от частной теории относительности к более общей теории, которую обычно называют общей теорией относительности, теорией гравитации Эйнштейна или, совсем просто, «теорией Эйнштейна».

В теории Ньютона гравитация, рассматриваемая как сила, действующая в пустом пространстве, характеризуется универсальной фундаментальной постоянной, гравитационной постоянной, G.[46] Согласно Ньютону, сила тяготения, создаваемая телом, пропорциональна произведению G на массу тела. Эта пропорциональность означает, что на заданном расстоянии от центров Солнца и Земли (и снаружи от них) сила притяжения Солнца, чья масса в 336 тысяч раз больше массы Земли, в 336 тысяч раз больше силы притяжения Земли.

Сначала немного кухни. С этого момента мы включаем G в массу и таким образом выражаем массу в единицах длины. Выраженная в единицах длины, масса Земли равна 4,41 мм, а масса Солнца в 336 тысяч раз больше, 1,48 км. Следует заметить, что теперь мы выразили массу, длину и время в единицах длины: мы могли бы выразить их в единицах времени, разделив на с, но получаемые числа были бы тогда более нелепыми и имели бы меньше прямого смысла. Вам также следует обратить внимание на то, что мы устранили таинственную константу G из ньютоновского описания гравитации, а это предполагает, что гравитация есть, в некотором роде, искусственная концепция и что G появляется в физике не потому, что имеет глубокий фундаментальный смысл, а потому, что наши предки выбрали причудливую единицу (например, килограмм) для выражения массы, а не естественную единицу, единицу длины (такую как метр). Но самое глубокое замечание, которое я могу сделать в этой связи и которое вам следует держать в голове, пока я развиваю эту тему, это то, что, выразив все величины в терминах длины, мы движемся к описанию, в котором действие массы на пространство-время становится предметом геометрии. Евклид был бы восхищен, узнав о размахе, на который способен его метод.

Теперь мы подошли к делу. Общая теория относительности возникает из замечательного совпадения, замеченного Эйнштейном. Замечательные совпадения в науке, как и в обычной жизни, всегда подозрительны. В обычной жизни они, как правило, указывают на обман; в науке они обычно указывают на открытие. Совпадение, о котором идет речь, состоит в том, что масса, используемая для выражения способности тела сопротивляться действию силы, которая в главе 3 названа «инерционной массой», является той же самой, что и масса, используемая для выражения способности тела создавать гравитационное притяжение, его «гравитационная масса». Эта эквивалентность была подтверждена экспериментально с точностью до одной триллионной, а это заставляет предполагать, что инерционная масса и гравитационная масса есть в точности одно и то же. Это должно показаться вам очень странным. Нет никаких непосредственно видимых причин, по которым сопротивление пушечного ядра моему удару ногой идентично силе гравитационного поля, которое пушечное ядро порождает.

Опираясь на это совпадение, Эйнштейн обнаружил еще одно. Предположим, что вы и я едем на одном и том же лифте, но что-то идет не так. Сначала мы обнаруживаем, что застряли на сотом этаже здания. Чтобы скоротать время до нашего спасения, мы перекидываемся мячом. Будучи наблюдательными, мы замечаем, что путь мяча искривляется (рис. 9.11). Если бы кабина лифта находилась в глубоком космосе, вдалеке от гравитационного притяжения звезд и планет, путь мяча был бы прямой линией. Имея это в виду, мы приписываем кривизну траектории мяча гравитации. Будучи учеными и быстро проделав вычисления, мы узнаем также, что путь мяча представляет собой параболу, кривую, получаемую в сечении конуса плоскостью, параллельной одной из его сторон, то есть образующих его прямых линий.