Тибо Дамур - Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн

• Название: Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
• Автор: Тибо Дамур
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-2389-1

Как зарождалась теория относительности? Как повлияли революционные идеи Эйнштейна на представления о пространстве и времени, на науку и технику? Каково их место и значение в сегодняшней науке? Книга дает читателю возможность проникнуть в мир Эйнштейна, разделить те особые моменты, когда ему удавалось приподнимать краешек большой завесы, постигая скрытые механизмы Вселенной. Автор шаг за шагом скрупулезно, но занимательно и доступно рассказывает об истоках и формировании идей Эйнштейна, показывает их борьбу с устоявшимися представлениями, непростой путь внедрения этих идей в головы физиков и философов и значение для нашего времени.

---

Наконец, отметим, что, хотя первоначально открытие математической структуры пространства-времени специальной теории относительности было сделано в знаменитой статье Пуанкаре в июле 1905 г., Пуанкаре (в отличие от Минковского) никогда не считал, что эта структура может быть действительно основополагающей для физики. Это становится ясно из последнего текста, написанного Пуанкаре по этому поводу за несколько месяцев до смерти. Текст содержит{58} утверждения, которые, взятые вне контекста, могли бы свидетельствовать о том, что Пуанкаре горячо разделял физический интерес в отношении концепции четырехмерного пространства-времени:

«Все происходит, как если бы время было четвертым измерением пространства […] необходимо отметить, что в новой концепции пространства и времени больше не существует двух совершенно отдельных составляющих, которые могли бы быть рассмотрены независимо, но две части, которые тесно переплетаются таким образом, что больше не могут быть разделены».

Однако, на самом деле, в этом тексте Пуанкаре представляет «новую концепцию», или, как он предпочитал говорить, «новое соглашение некоторых физиков» (никогда не упоминая явно ни Эйнштейна{59}, ни Минковского), лишь только для того, чтобы как можно дальше от нее дистанцироваться. В самом деле, последний абзац этого текста гласит:

«Какова будет наша позиция в отношении этих новых концепций? Будем ли мы вынуждены изменить свои выводы [относительно имеющейся у нас свободы для принятия тех или иных соглашений, которые нам кажутся приемлемыми]? Конечно, нет: мы приняли соглашение только потому, что оно казалось нам удобным, и мы сказали, что ничто не может заставить нас отказаться от него. Сегодня некоторые физики хотят принять новое соглашение. И не потому, что они вынуждены. Просто они считают это новое соглашение более удобным, вот и все; и те, кто не разделяет этого мнения, вправе сохранять старый порядок и не нарушать старые привычки. И, между нами, я думаю, это то, что они будут делать долго».

Мы видим здесь (в отличие от эффективного подхода Эйнштейна) бесплодность научной философии Пуанкаре{60}, сводящейся к абсолютной «условности». Возможно, этот слишком критический подход Пуанкаре в сочетании с его скептическим идеализмом, консерватизмом и математическим видением физической реальности помешал ему сначала серьезно отнестись, а затем физически развить понятие структуры пространства-времени, которое ему удалось первым обнаружить.

Эфемерная материя

Плодотворность «новой концепции» Эйнштейна, состоящей в применении принципа относительности в качестве симметрии, устанавливающей реальность, и выводе из него общих свойств материи и ее взаимодействий, стала очевидна очень скоро. Через несколько месяцев после выхода статьи в июне 1905 г. Эйнштейн понял, что из симметрии теории относительности следует замечательный вывод: «масса есть мера энергии, содержащейся в теле», в частности «свет несет массу». Речь идет о самом известном уравнении физики XX в.: E = mc². Здесь m – масса тела, и данное уравнение связывает эту массу с энергией E, которая представляет энергию, «содержащуюся» в теле{61}. Это уравнение потрясает своей простотой и глубиной. Безусловно, оно изменило все представления о материи, которые существовали ранее.

Согласно Ньютону, масса тела считалась его «количеством материи». В то же время на протяжении веков материя представлялась некоторой сохраняющейся при любых трансформациях субстанцией, несмотря на то что ее внешний вид мог изменяться либо она могла трансформироваться в новые формы. Это тот самый знаменитый принцип Лавуазье «ничего не теряется, ничего не создается, все трансформируется», согласно которому масса остается неизменной при всех преобразованиях материи. Лавуазье экспериментально проверил этот закон сохранения массы с помощью различных химических реакций, рекомбинирующих материю в новые формы.

Согласно уравнению Эйнштейна, E = mc², или, скорее, в обратном виде m = E/c², масса и, следовательно, материя утрачивают свое постоянство. Если тело получает энергию, например при нагревании, его масса увеличивается. Тогда как, если тело теряет энергию, например в виде электромагнитного или другого излучения, его масса уменьшается. В своей статье в сентябре 1905 г., в которой он ввел уравнение E = mc², Эйнштейн упоминает возможность проверить эквивалентность между массой и энергией в случае радия, открытого семью годами ранее Пьером и Марией Кюри. Радий представлял определенную проблему для классической физики, поскольку, по всей видимости, нарушал принцип сохранения энергии. Он непрерывно испускал энергию, и Кюри показали при помощи калориметра, что количество тепла (и, таким образом, энергии), постоянно излучаемое радием, было весьма заметно. В то же время эта постоянная энергетическая активность абсолютно не влияла на радий, который, казалось, продолжал существовать без изменений в течение многих лет и, таким образом, представлялся неисчерпаемым источником энергии. Эйнштейн предсказывал, что данное излучение энергии, наоборот, должно происходить за счет массы излучающего тела и, следовательно, должно было заметно влиять на радий. Между тем в обычных единицах скорость света – весьма большая величина, поэтому ее квадрат имеет просто огромное значение, и уравнение Эйнштейна m = E/c² предсказывает, что потеря массы, соответствующая потере энергии радия, очень мала.

Через несколько лет Поль Ланжевен (который независимо от Эйнштейна предсказывал существование уравнения E = mc²) предположил, что, возможно, будет легче экспериментально проверить эквивалентность массы и энергии в случае ядерных реакций, в которых происходит рекомбинация или же трансмутация определенных атомных ядер. Первая экспериментальная проверка уравнения E = mc² была получена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. при бомбардировке протонами лития-7 и изучении событий, когда столкновения вызывали деление ядра мишени на два ядра гелия-4. Поскольку мы обсуждаем здесь ядерные реакции, уместно отметить, что, несмотря на устойчивый миф, уравнение E = mc² никое образом не влекло осознание возможности создания «атомной» (или, точнее, «ядерной») бомбы, ни тем более ее устройства или способа реализации. На самом деле, наиболее простое «объяснение» происхождения огромной энергии, высвобождаемой в результате деления ядер при взрыве бомбы либо в ядерном реакторе, состоит в том, что эта энергия, по сути, есть не что иное, как электроэнергия отталкивания положительно заряженных протонов делящегося ядра. Простой расчет, основанный на законе Кулона для силы взаимодействия между электрическими зарядами, известный с 1790-х гг., и на знании радиуса атомного ядра, дает хорошую оценку энергии, высвобождающейся при делении ядра, без какой-либо нужды апеллировать к эквивалентности между массой и энергией.

Помимо многочисленных научных результатов, вытекающих из утверждения об эквивалентности массы и энергии, E = mc², весьма любопытным его следствием стал процесс плавного переосмысления неизменности материи и осознания ее эфемерности. Со времен греков с их представлениями о неделимости атомов материя рассматривалась как парадигма некоторой постоянной субстанции, лежащей в основе всего реального. Благодаря Эйнштейну материя потеряла свою субстанциальную устойчивость или по крайней мере перестала быть привязанной к определенной форме вещества. Теперь материя может преобразовываться из одного вещества в другое и даже полностью распадаться в «световую энергию» или любое другое излучение, считавшееся ранее «нематериальным»{62}. Весьма ярким примером эфемерности материи является возможность, открытая благодаря эквивалентности массы и энергии, полного распада атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона, и перехода в электромагнитное излучение. В начальном состоянии системы имеются две по отдельности абсолютно стабильные частицы материи: обычный отрицательно заряженный электрон (называемый также негатрон) и электрон с положительным зарядом (или позитрон). Начальное «материальное» состояние спонтанно распадается, когда негатрон слишком близко приближается (в классическом смысле) к позитрону, и превращается в конечное «нематериальное» состояние, в котором имеется исключительно электромагнитное излучение (а точнее, два кванта света, см. главу 5). Это явление было обнаружено и подробно изучено в конце 1940-х гг., и с его помощью можно было с большой точностью проверить выполнение уравнения E = mc². Еще более поразительным является обратный феномен, также имеющий многочисленные подтверждения: в качестве начального можно взять «нематериальное» состояние, в котором нет ничего, кроме электромагнитного излучения (например, два сталкивающихся кванта света, обладающих достаточным количеством энергии), и это начальное состояние приводит к появлению двух (или более) «материальных» частиц. Читатель, возможно, подумает, что речь здесь идет о каких-то исключительных ситуациях, практически не имеющих конкретных проявлений для обычной материи вокруг нас. Это далеко не так! Напротив, согласно современной космологии, вся окружающая нас «материя», а также материя, из которой состоим мы сами, не существовала на ранних стадиях расширения Вселенной и возникла из энергии, заключенной в непрерывном поле (подобном электромагнитному полю) и заполняющей все пространство.