Дэйв Голдберг - Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности

• Название: Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности
• Автор: Дэйв Голдберг
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-17-090124-1

Эта книга – идеальный путеводитель по самым важным и, конечно, самым увлекательным вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц, и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?» Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Я. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина.

Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, – от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук.

---

Играть в эту игру можно до бесконечности. Например, представьте себе, что на банке сидит муравей. У муравья большие планы, касающиеся царицы его муравейника, но тут она сообщает ему, что должна остаться дома, чтобы вычистить панцирь. В гневе муравей швыряет комочек пищи со скоростью 0,9 с (с его точки зрения) в сторону передней части поезда. Пачкуля, обладающий невероятно острым зрением, увидит, что крошка движется со скоростью 99,97 % скорости света.

А на крошке живет амеба, которая ждала на свидание саму себя, поскольку размножается делением, безо всякого секса… в общем, сами понимаете.

Как бы мы ни старались, сколько бы ни повторяли наши воображаемые опыты, сколько бы банок и крошек ни бросали, мы так никогда и не достигнем скорости света. Будем бесконечно приближаться к ней – и все тут.

Кроме того, чем ближе мы к скорости света, тем труднее заставлять предметы двигаться быстрее. Кажется, что разогнать предмет до скорости в 99 % скорости света требует вдвое больше работы, чем до 50 % скорости света; на самом же деле работы потребуется вшестеро больше. А для того чтобы всего-навсего разогнаться с 99 % скорости света до 99,9 %, потребуется втрое больше работы.

Итак, теперь можно поработать и над вопросом шестнадцатилетнего Эйнштейна[16]: что произойдет, если двигаться со скоростью 99 % скорости света и посмотреть на себя в зеркало? Ничего – или по крайней мере ничего особенного. Ваш звездолет будет выглядеть как обычно, ваши внутренние часы, с вашей точки зрения, будут идти как всегда. И физиономия будет все той же. Единственное, что бросится вам в глаза, – это то, что у ваших друзей, оставшихся дома, сердца, часы, корпоративные календари и прочие приборы для измерения времени замедлились в семь раз против обычного. И к тому же все предметы сплющились под воздействием неведомого фактора.

Можно сделать еще шаг вперед и задать вопрос, изменится ли что-нибудь, если посмотреть в зеркало на скорости 99,9 % скорости света. Замедление времени и сокращение длины будут чуть больше (в 22 раза, а не в 7), а так все то же самое.

Беда в том, что все эти скорости крайне близки к скорости света, но все же не дотягивают до нее. Каждое крошечное дополнительное ускорение требует все больше и больше энергии, а для того чтобы в самом деле разогнаться до с, потребуется бесконечное количество энергии. Не очень большое, просим отметить, а именно бесконечное.

Быть может, вам этого мало. Если вам удастся как-то разогнаться до скорости света (невзирая на то, что это невозможно), свет от вашего лица так и не дойдет до зеркала, а значит, вы, как заправский вампир, не увидите собственного отражения. Мало того! Сам факт, что вы не увидите своего отражения, и докажет, что вы достигли скорости света. Но поскольку вы уже точно знаете, что никто не может сказать, стоит он или движется, это лишнее доказательство, что разогнаться до скорости света невозможно.

V. А разве относительность не придает атомам бесконечную энергию?

Все эти разговоры о часах и эталонах метра и скорости света, возможно, интересны и сами по себе, но, наверное, когда (и если) вы задумываетесь об относительности, в голову вам первым делом приходят некоторые другие вопросы. Почти наверняка вы думаете при этом о самой знаменитой физической формуле (и единственной, которую вы встретите в этой книге в явном виде):

E = mc2 .

Выглядит она крайне просто, к тому же вы уже познакомились с одной из ее составляющих – это с, скорость света.

Буква Е в левой части обозначает энергию, и мы совсем скоро поговорим о том, при чем тут энергия, но сначала обсудим другую составляющую – m, то есть массу.

Вероятно, вам кажется, что масса – это мера «величины» предмета, но для физика масса всего-навсего отражает то, насколько трудно заставить предмет двигаться и насколько трудно остановить его, если он уже движется. Гораздо проще остановить Рыжего, если он бежит на вас со скоростью 15 километров в час, чем его поезд, если он едет с той же скоростью.

Но мы уже заметили одну интересную вещь, касающуюся эффективной массы – в данном случае эффективной массы консервных банок с фасолью. Мы обнаружили, что чем выше скорость банки, тем больше работы требуется, чтобы разогнать ее хоть чуточку быстрее. Иначе говоря, банка с фасолью ведет себя так, словно становится все более и более массивной (то есть ее все труднее и труднее двигать). А как мы уже отметили, если скорость банки приближается произвольно близко к скорости света, впоследствии потребуется бесконечное количество работы, чтобы придать банке хоть какое-то ускорение.

Посмотрим с другой стороны: при увеличении энергии движения инерционная масса тоже увеличивается, то есть материя банки не прирастает, но банка ведет себя так, словно это происходит. Но даже если скорость банки снизится до нуля, то есть энергии движения не будет вообще, инерция банки никуда не денется. Если банка с фасолью совершенно неподвижна, она все равно обладает определенным количеством энергии, некоторой минимальной инерционной массой. Если добавлять энергию, то инерционная масса только увеличивается.

Знаменитое уравнение Эйнштейна – не более чем формула преобразования массы в энергию и обратно.

У этой формулы широчайший спектр самых удивительных применений, и мы буквально видим ее отражение каждую секунду всю жизнь – в солнечном излучении.

Теория Эйнштейна, по всей видимости, находит успешное применение на практике, однако, кроме того, она необычайно сильно повлияла на общественное сознание, особенно на сознание тех, кто ее не понимает.

Один из уважаемых авторов этой книги (Голдберг), будучи действующим ученым, часто получает рукописи, сочинители которых заявляют, будто разработали теорию, которая опровергает существующие физические парадигмы, и в девяти случаях из десяти главный их тезис – что великое уравнение Эйнштейна ошибочно, что его логика ущербна или просто что математически допустимо другое толкование. Этот феномен настолько распространен и наблюдается настолько часто (причем со временем все чаще), что даже спустя 100 лет после того, как Эйнштейн опубликовал свою формулу, в журнале «Америкэн Лайф» появилась статья о человеке, который (безуспешно) попытался доказать, будто «Е не равно эм це квадрат».

Почему же простая формула преобразования вызывает такой ажиотаж? Отчасти потому, что она так проста на вид. Никаких незнакомых буковок, к тому же большинство людей в общих чертах понимают физический смысл всех ее составляющих. И она действительно очень простая. Как будто нам говорят: «Вот хочу продать мою материю и получить энергию. Сколько дадите?»

Ответ: «Довольно-таки много». Дело в том, что, как мы уже установили, с – большое число, а мы еще возводим его в квадрат и умножаем на него массу.

Начнем с малого. Представим себе, что у вас есть около двух граммов буммония – это такое вещество, которое мы только что придумали, так что имеем право запатентовать и употреблять его название. Это примерно масса монетки в один пенни, и вам каким-то образом удается превратить ее в энергию. Если бы такое было возможно, а мы вас уверяем, что нет, вы бы получили около 180 триллионов джоулей. Не представляете себе, сколько это? Не проблема, объясним.

Такая энергия позволит вам:

1) сделать так, чтобы 50 тысяч стоваттных лампочек горели целый год;

2) с лихвой обеспечить калориями все население городка Терре-Хот в штате Индиана (с населением 57 259 человек) на целый год;

3) заменить энергию примерно 5000 тонн угля или 6 356 000 литров бензина. Если заправить этим бензином автомобиль, можно перевезти на нем всех до единого жителей Терре-Хот из Нью-Йорка в Калифорнию. Непонятно, правда, зачем это делать.

Для сравнения, энергия сгорания двух граммов угля питает одну лампочку примерно час.

Материя, как и большинство людей, не развивает свой потенциал полностью, а если не считать случаи, когда мы сталкиваем материю с «антиматерией» или «антивеществом» (о чем мы еще поговорим), преобразовать всю массу в энергию невозможно. Так что не считайте, будто от E = mc 2 один шаг до полной независимости от нефти, остановитесь. Рано радоваться.

Великое уравнение Эйнштейна изменило мир: самые очевидные примеры его применения – ядерное оружие и атомная энергия. Важно понимать, что при большинстве ядерных реакций мы преобразуем в энергию лишь крошечную часть общей массы материи. Наше Солнце – гигантский термоядерный генератор, который превращает водород в гелий. Основная реакция предполагает, что мы берем четыре атома водорода и получаем один атом гелия и некоторое количество отходов, в том числе нейтрино, позитроны и, само собой, энергию в виде света и тепла. Для нас это крайне выгодно – ведь энергия, вырабатываемая Солнцем, в виде солнечных лучей согревает поверхность Земли, питает растения и водоросли и в конечном счете поддерживает нас как экосистему.