ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Глава 5. с — это celeritas

znach 2«с» отличается от того, что мы рассматривали до этой минуты. «Е» это огромная область энергии. «m» — материальная начинка вселенной. А «с» — всего лишь скорость света.

Эта непритязательная, использованная для ее поименования буква обязана, по-видимому, своим происхождением периоду, предшествовавшему середине 1600-х, времени, когда Италия была центром мировой науки, а латынь — ее, науки, языком. Латинское слово «celeritas» означало попросту быстроту, проворство.

Настоящая глава посвящена рассмотрению того, почему «с» стала играть столь важную роль в формуле Е=mc2, того, как именно эта скорость, выбор которой может показаться произвольным, оказалась способной управлять связью между всей массой и всей энергией, какая только есть во вселенной.

Долгое время даже измерение скорости света считалось делом невозможным. Почти все были убеждены, что свет распространяется с бесконечной скоростью. А если так, никакое использование скорости его распространения в имеющих практическое применение уравнениях было невозможным. Прежде чем ее удалось хоть как-то использовать, прежде чем Эйнштейн смог додуматься до возможности использования «с», кто-то должен был установить, что свет распространяется с конечной скоростью, а сделать это было отнюдь не легко.

Первым человеком, ясно понявшим, как можно измерить скорость света, был Галилей — это произошло задолго до того, как его, престарелого и почти ослепшего, определили под домашний арест. Впрочем, ко времени, в которое он опубликовал свои соображения на этот счет, Галилей был уже слишком стар, чтобы ставить опыты самостоятельно, да к тому же и у Инквизиции имелся строжайший приказ следить за каждым его шагом. А это создавало для него и его друзей помехи далеко не малые. Когда через несколько лет после кончины Галилея, члены Флорентийской академии получили, наконец, возможность ознакомиться с его трудами, им дали понять, что они могут поставить придуманный Галилеем опыт.

Сама идея опыта была проста, как и все, что делал Галилей. Двум добровольцам с фонарями надлежало встать летним вечером на холмах в миле друг от друга. Они должны были открывать один за другим заслонки своих фонарей и измерять время, которое понадобится свету, чтобы пересечь разделявшую их долину.

Задуман опыт был вовсе не плохо, однако техника того времени была слишком скудна, чтобы с ее помощью удалось получить сколько-нибудь однозначные результаты. Галилей и при постановке других своих опытов понимал, что экспериментаторам надлежит дышать размеренно, поскольку для измерения коротких промежутков времени они использовали биения собственных пульсов. Однако в тот вечер добровольцы, расположившиеся, скорее всего, где-то в холмах под Флоренцией, обнаружили, что свет распространяется слишком быстро. Они наблюдали лишь мгновенно, как им казалось, следовавшие одна за другой вспышки. Опыт можно было счесть не удавшимся, многие увидели в его результате лишь очередное доказательство того, что свет распространяется с бесконечной скоростью. Однако флорентийцы не вывели из этого, что Галилея ошибся. Нет, Академия пришла к заключению, что следует дождаться будущих времен, когда найдется человек, который сумеет измерить скорость распространения столь быстрых импульсов света.

В 1670 году, через несколько десятилетий после случившейся в 1642 году кончины Галилея, в Париж приехал, чтобы занять пост директора только что созданной Парижской обсерватории Жан Доминик Кассини. Ему надлежало присматривать за возведением множества новых зданий обсерватории и его нередко видели на улицах, занимающимся именно этим — неподалеку от тени, отбрасываемой тюрьмой Порт-Либр, той самой, в которой в следующем веке Лавуазье предстояло дожидаться казни, — однако самая важная задача Кассини состояла в том, чтобы вдохнуть жизнь в науку Франции. Имелись у него и личные причины добиваться того, чтобы его новое учреждение преуспело, поскольку звали его, на самом-то деле, не Жаном Домиником, а Джованни-Доменико. И был он не французом, но итальянцем, недавно прибывшим в Париж со своей родины, и хоть король стоял на его стороне, а средства, необходимые для работы, были ему гарантированы, кто мог знать, как долго все это продлится?

Кассини направил своих посланцев в легендарную обсерваторию Уранибург, размешавшуюся на острове, который находится в Датском проливе, невдалеке от замка Эльсинор. Цель их состояла в точном определении координат Уранибурга, что помогло бы навигаторам правильно промерять расстояния, а кроме того, этим людям было получено поискать и завербовать искусных исследователей, работавших в других обсерваториях. Основатель обсерватории Уранибург Тихо Браге проводил некогда наблюдения, на которых основывали свои труды Кеплер и даже Ньютон. Браге создал обсерваторию невообразимо роскошную — центральный замок ее окружали парки с экзотическими деревьями, искусственными каналами и рыбными садками, все это было оборудовано системой внутренней связи, смахивающей на теперешний интерком, и вращавшимися автоматами, повергавшими в ужас местных крестьян, — ходили даже слухи о том, что в обсерватории установлены туалеты с автоматическими сливными бачками.

Правая рука Кассини, Жан Пикар, добрался до Уранибурга в 1671 году, приплыв туда по мглистым водам из Копенгагена. Сказочная эта твердыня поначалу восхитила его, а затем разочаровала, поскольку он обнаружил, что она — всего лишь руина былого величия. Основатель обсерватории был личностью по-настоящему сильной и, когда он умер, заменить его оказалось некем. При появлении здесь Пикара, все в обсерватории пребывало в состоянии разрухи — рыбные садки затянула ряска, астрономические инструменты и звездный глобус давным-давно украли, от главного здания осталось лишь несколько камней, из которых состоял некогда его фундамент.

Тем не менее, Пикар произвел измерения, а возвращаясь в Париж, прихватил с собой одаренного датчанина двадцати одного года — Оле Ремера. Другие, оказавшись на месте Ремера, возможно, стали бы заискивать перед великим Кассини, ибо тот был признанным мировым авторитетом во всем, что касалось планеты Юпитер и в особенности орбит, по которым вращались вокруг Юпитера его спутники. Однако, хоть мы и считаем сейчас Данию страной довольно маленькой, в то время она правила империей, в состав которой входила изрядная часть северной Европы, и Ремер был человеком самоуверенным и гордым в мере достаточной для того, чтобы попытаться создать себе имя.

Трудно поверить в то, что Кассини так уж обрадовало появление этого выскочки. На то, чтобы обратиться из Джованни-Доменико в Жана Доминико, у него ушло изрядное время. Он провел множество наблюдений за спутниками Юпитера и намеревался использовать их результаты для поддержания своей мировой известности. А что если Ремер воспользуется его открытиями и попробует, опираясь на них, доказать, что выводы, которые сделал из них Кассини, решительно не верны?

Причину, по которой это было возможным, составляла проблема, связанная с самым близким к Юпитеру спутником, называемым Ио. Предполагалось, что период его обращения составлял 42½ часа, однако Ио никак не желал честно придерживаться установленного для него расписания. Иногда он двигался немного быстрее, иногда немного медленнее. И сколько-нибудь понятный порядок в его поведении отсутствовал.

В чем тут было дело? Решить эту проблему, настаивал Кассини, можно, лишь проведя новые измерения и расчеты. Связанное с ними напряжение сил способно было вконец вымотать директора обсерватории и, разумеется, оно требовало увеличения числа ее сотрудников и оборудования, выделяемых ей средств, а к тому же, могло повлечь за собой повышенное и малоприятное внимание публики, однако при необходимости первого можно было добиться, а со вторым смириться. Что же касается Ремера, то ему представлялись необходимыми не сложные измерения, с которыми способны справиться лишь опытные, пожилые администраторы. Нет, для решения проблемы Ио требовались блестящий ум и вдохновение, и именно это он, молодой и новый здесь человек, способен был предоставить в распоряжение обсерватории.

Что, собственно, Ремер и сделал. Все — в том числе и Кассини, считали, что проблема связана с тем, как движется Ио. Возможно, орбита его неустойчива; возможно, окружающие Юпитер облака и иные помехи в разное время затмевают Ио по-разному. Ремер же подошел к проблеме с другого конца. Кассини провел наблюдения Ио и наблюдения его показали, что в орбите этого спутника Юпитера присутствует некая неправильность. Но зачем же предполагать, что неправильность эта возникает так далеко от нас, рядом с Юпитером? Вопрос, считал Ремер состоит не в том, как движется Ио.

Он состоит в том, как движется Земля.

Кассини полагал последнее несущественным. Разумеется, он мог когда-то размышлять о неких иных возможностях, как размышляли о них почти все прочие астрономы, однако при этом был убежден, что свет распространяется мгновенно. Это же и дураку понятно. Разве опыт, придуманный самим Галилеем, не показал, что свидетельства противоположного отсутствуют?

Эти доводы Ремер оставил без внимания. Предположим — только предположим, — что свету все же требуется некоторое время, чтобы пройти огромное расстояние, отделяющее Землю от Юпитера. Что это может означать? Ремер представил себе, как он стоит над солнечной системой, ожидая, когда Ио впервые засветится, выйдя из-за Юпитера, и свет его понесется к Земле. Летом, к примеру, когда Земля находится относительно близко к Юпитеру, путь, проходимый светом, будет короче, и на Земле Ио увидят несколько раньше. А вот зимой Земля уйдет на другую сторону солнечной системы. И времени, чтобы достичь ее, световому сигналу потребуется больше.

Ремер просмотрел накопившиеся за многие годы результаты наблюдений Кассини и к концу лета 1676 года у него уже имелось решение: не просто интуитивные представления, но точное число добавочных минут, которые требуются свету, чтобы пройти добавочное расстояние, возникающее, когда Земля удаляется от Юпитера.

Что мог он сделать с этой находкой? По протоколу Ремеру следовало позволить Кассини представить ее как результат собственных трудов — ну и скромно покивать, когда директор обсерватории сделает, докладывая о них, паузу, дабы отметить, что он не смог бы осуществить их без помощи вот этого молодого человека, дальнейшая карьера которого заслуживает пристального внимания.

Ремер этим путем не пошел. В августе он через посредство почтенного журнала, который читали все серьезные астрономы, бросил Кассини вызов. Астрономия наука точная и даже инструменты семнадцатого столетия были достаточно хороши, чтобы установить: Ио должен выйти из-за Юпитера под вечер 9 ноября текущего года. Из рассуждений Кассини следовало, что спутник можно будет увидеть в 5.27 пополудни. Предсказание это было получено экстраполяцией времени, в которое Ио был ясно виден в последний раз, что как раз в августе и случилось.

Ремер заявил, что предсказание Кассини ошибочно. В августе, объяснил он, Земля находилась к Юпитеру ближе, чем будет находиться в ноябре. В 5.27 Ио никто не увидит — свет, сколь бы быстро он ни распространялся, все еще будет находиться в пути, поскольку ему придется пройти большее, нежели в августе, расстояние. Ни к 5.30, ни даже к 5.35 он все еще не успеет пересечь солнечную систему. 9 ноября спутник станет виден лишь в 5.37.

Порадовать астрономов можно разными способами. Открытие суперновой, к примеру, вещь хорошая, продление правительственного субсидирования — тоже, получение пожизненной должности и того лучше. Однако яростная свара двух выдающихся коллег? Это источник просто-напросто райского наслаждения. Ремер бросил свой вызов отчасти из гордости, но отчасти и потому, что знал: как политик, Кассини значительно превосходит его. Ремер мог добиться признания своих заслуг, только сделав предсказание настолько внятное и недвусмысленное, что Кассини и его приспешникам не удастся, когда станет ясной их неправота, отвертеться от этого факта.

Предсказание было обнародовано в августе. 9 ноября обсерватории Франции да и всей Европы нацелили телескопы на Юпитер. Часы показали 5.27 пополудни. Ио видно не было.

5.30 — Ио все еще нет как нет.

5.35.

А затем спутник появился — если быть точным, в 5 часов, 37 минут и 49 секунд.

И Кассини заявил, что ошибка его отнюдь не доказана! (Изображать свои оплошности, как достижения люди научились задолго до эпохи телевидения.) У Кассини имелось множество сторонников, — и они, как то и положено, приняли его сторону. Кто и когда говорил, что Ио ожидается в 5.25? Один только Ремер, заявили сторонники. А кроме того, всем же известно, что указать точное время появления Ио не удавалось никогда. Расстояние до него огромное, толком разглядеть его трудно, — возможно, потому, что облака, плавающие в верхних слоях атмосферы Юпитера создают дымку, которая искажает точную картину, а возможно, по той причине, что сколько-нибудь определенные наблюдения затруднены большим углом наклона его орбиты. Сказать трудно.

В обычных рассказах из истории науки предполагается, что такого просто не может быть. Ремер поставил безупречный опыт, сделал ясное предсказание, и тем не менее, астрономы Европы не пожелали признать, что свет распространяется с конечной скоростью. Сторонники Кассини победили, официальная точка зрения, согласно которой скорость света есть величина загадочная, неизмеримая и никакого воздействия на астрономические измерения не оказывает, устояла.

Ремер сдался, вернулся в Данию и провел там многие годы на посту директора копенгагенского порта. Новые эксперименты, убедившие астрономов в его правоте, были поставлены лишь пятьдесят лет спустя — после того, как миновали два поколения, а Жан Доминик Кассини скончался. Полученное в них значение скорости света было близким к лучшим из современных его оценок, дающих примерно 300000000 м/сек. (На самом деле, скорость света несколько меньше, однако для удобства мы будем использовать на протяжении всей этой книги значение округленное — 300 миллионов метров в секунду.)

Чтобы продемонстрировать, насколько велика эта скорость, довольно сказать, что, развив ее, вы можете добраться от Лондона до Лос-Анджелеса за 1/20 секунды. Это и объясняет, почему в эксперименте Галилея не удалось установить время, за которое свет пересекает долину под Флоренцией, — слишком мало было расстояние.

А вот еще одно сравнение: Мах 1 это скорость звука, составляющая около 300 м/с. Реактивный «Боинг 747» развивает скорость немного меньшую, чем Мах 1. Космический шаттл может набирать после первого включения двигателей больше Мах 20. Астероид или комета, которая пробила океанское дно и погубила динозавров, имела в момент столкновения скорость, равную Мах 70.

«с» равна Мах 900000.

Столь огромная скорость приводит к возникновению множества любопытных эффектов. Если человек, сидящий ресторане за несколько столиков от вас, ссорится с кем-то по телефону, вам кажется, что вы слышите произносимые им слова в тот самый миг, в какой они срываются с его губ. Однако звук распространяется в воздухе всего лишь с малой скоростью, равной Мах 1, тогда как радиосигналы, которые генерирует сотовый телефон, летят со скоростью света. Женщина, с которой разговаривает этот человек, — даже если она находится в сотнях километров от вас, — услышит его слова до того, как они проковыляют по воздуху несколько метров и доберутся до ваших ушей.

Чтобы понять, почему Эйнштейн включил в свое уравнение именно скорость света, нам необходимо повнимательнее приглядеться к внутренним свойствам самого света. Мы оставляем позади эпоху Кассини и Ремера и перебираемся в конец 1850-х, в период, предшествующий Гражданской войне в Америке, — в то время, когда пожилой уже Майкл Фарадей вступил в переписку с Джеймсом Клерком Максвеллом, худощавым шотландцем, которому не исполнилось еще и тридцати лет.

Для Фарадея эта пора была трудной. Память его слабела, нередко ему приходилось начинать день с чтения пространных записей, посвященных тому, что он должен сделать сегодня. Хуже того, Фарадей сознавал, что великие физики мира, почти каждый из которых закончил элитарный университет, так и продолжают смотреть на него сверху вниз. Они принимали его практические лабораторные открытия, но и не более того. Для среднего физика электричество, протекающее по проводнику, мало чем отличалось от текущей по трубе воды: все считали, что после того, как была разработана, наконец, математика, лежащая в основе этого процесса, он перестал отличаться от того, что описывали Ньютон и множество его владеющих математическими методами последователей.

Фарадей, между тем, продолжал размышлять о странных кругах и линиях, исходя из воспринятых им в юности религиозных представлений. Пространство, окружающее любое проявление электромагнетизма, считал он, пронизано загадочным «полем», порождающим то, что интерпретируется нами как электрический ток и его подобия. Фарадей настаивал на том, что временами эту сущность можно едва ли не увидеть, — к примеру, в узорах, которые образуют насыпанные вокруг электромагнита металлические опилки. Однако никто Фарадея не слушал — за недавно появившимся исключением: молодым шотландцем по фамилии Максвелл.

На первый взгляд, эти двое были людьми совершенно разными. За годы исследований у Фарадея накопилось 3000 датированных сжатых заметок, посвященных его опытам, которые начинались каждый день в ранние утренние часы. О Максвелле же рассказывают следующее: когда его уведомили, что каждый студент Кембриджского университета обязан являться на церковную службу, начинавшуюся в 6 утра, он, вздохнув, сказал: «Да, наверное, я смогу не ложиться спать до столь позднего часа». Кроме того, Максвелл был лучшим, вероятно, математиком из всех теоретических физиков девятнадцатого столетия, а Фарадей с трудом справлялся с любыми математическими выкладками, выходившими за пределы обычного сложения и вычитания.

Однако на уровне более глубоком они обладали немалым сходством. Несмотря на то, что Максвелл вырос в большом баронском поместье, находившемся в сельской местности северной Шотландии, родовым именем его было до недавнего времени самое заурядное «Клерк» и только наследство родственника с материнской стороны позволило его семье присоединить к этому имени отдающее гораздо большим благородством «Максвелл». Когда юного Джеймса отправили на учебу в одну из закрытых школ Эдинбурга, другие ее ученики, те, что были покрепче и кичились своим городским происхождением, измывались над ним — неделю за неделей и год за годом. Джеймс никогда не выражал по этому поводу никаких гневных чувств — он лишь однажды спокойно заметил: «Они никогда не понимали меня, зато я их понимал». В душе Фарадея также сохранились раны, нанесенные ей в 1820-х сэром Гемфри Дэви, а закончив день блестящей по ораторскому мастерству публичной лекцией в «Королевском институте», он неизменно погружался в тихое, созерцательное одиночество.

Пока молодой шотландец и пожилой обитатель Лондона переписывались — и позже, когда они, наконец, встретились, — им удалось установить отношения, которые ни того, ни другого почти ни с кем больше не связывали. И дело тут было не только в сходстве их личностей — Максвелл оказался математиком настолько великим, что ему удалось проникнуть взглядом под внешнюю простоту неуклюжих рисунков Фарадея. Детская их неловкость, над которой посмеивались ученые менее одаренные, Максвелла не остановила. («Продолжая исследования Фарадея, я проникался его методом… который также был математическим, хоть и не получил выражения в общепринятых математических символах».) Максвелл отнесся к сделанным Фарадеем грубым наброскам силовых линий со всей серьезностью. И он, и Фарадей были людьми глубоко религиозными, оба видели в этих рисунках возможное проявление имманентного присутствия Бога в нашем мире.

Еще в 1821 году да и во многих последующих его исследованиях Фарадей показывал пути, которыми электричество может обращаться в магнетизм — и наоборот. В конце 1850-х Максвелл развил эту идею, впервые полностью объяснив то, чего так никогда и не поняли ни Ремер, ни Галилей.

Максвелл сумел понять: то, что происходит внутри светового луча, есть разновидность возвратно-поступательного движения. Когда луч света отправляется в путь, можно говорить о том, что в нем порождается некоторое количество электричества, которое, распространяясь, создает некоторое количество магнетизма, а оно, опять-таки распространяясь, порождает новый всплеск электричества — и так далее, словно развертывается некий плетеный кнут. Электричество и магнетизм как будто совершают крошечные стремительные скачки, перекувыркиваясь друг через друга, пребывая, по словам Максвелла, «во взаимных объятиях». Свет, который Ремер видел несущимся через солнечную систему, а Максвелл — ударяющим в каменные башни Кембриджа, представляет собой просто последовательность таких вот быстрых, напоминающих чехарду прыжков.

То был высший взлет науки девятнадцатого столетия — уравнения Максвелла, содержавшие резюме его проникновения в сущность электромагнетизма, стали одним из величайших теоретических достижений всех времен. И все же, сам Максвелл всегда оставался не вполне довольным тем, что он создал. Потому что — как, собственно говоря, переплетаются в волне света эти странные, отдающие чехардой скачки? Этого Максвелл не знал. Как не знал и Фарадей. Никто не мог объяснить это явление раз и навсегда.

Гениальность Эйнштейна состояла в том, что он сумел повнимательнее приглядеться к играющим в чехарду волнам света — даже при том, что делать это ему пришлось практически в одиночку. Впрочем, уверенности в своих силах ему было не занимать: проведенная им в Аарау окончательная подготовка к учебе в высшей школе дала блестящие результаты, к тому же и воспитание, полученное Эйнштейном в семье, подталкивало его к тому, чтобы с сомнением относиться к любому авторитету. К 1890-м, студенческим годам Эйнштейна, уравнения Максвелла уже преподносились в качестве общепринятой истины. Однако ведущий профессор Высшей технической школы Цюриха, в которой учился Эйнштейн, к теоретической физике относился пренебрежительно и теорию Максвелла преподавать своим студентам попросту отказывался. (Именно негодование, порожденное этим обстоятельством в Эйнштейне, и привело к тому, что он с издевкой именовал профессора «герром Вебером», а не «герром профессором Вебером», как то было положено, — непочтительность, за которую Вебер отомстил, отказавшись выдать Эйнштейну надлежащее рекомендательное письмо, что привело к нескольким годам его изоляции в патентном бюро.)

Когда Эйнштейн прогуливал занятия, отправляясь вместо школы в кофейню, он нередко прихватывал с собой работы Максвелла. Так начинались его исследования, посвященные открытому Максвеллом удивительному поведению световых волн. Если свет, размышлял Эйнштейн, представляет собой такую же волну, как и все прочие, то, наверное, можно, устремившись следом за ним, его нагнать.

Проиллюстрировать эту проблему можно примером из сёрфинга. Когда вы только оказываетесь в воде и стараетесь, чтобы никто на берегу не заметил, до чего вы перепуганы, волны просто прокатываются мимо вас. Однако, стоит вам заставить себя встать на доску, и вы начинаете скользить с ней к берегу, а несущая вас волна представляется вам неподвижно стоящей под вами и вокруг вас. Если же вы достаточно храбры — или безрассудны — для того, чтобы проделать подобный фокус в огромных приливных волнах Гавайев, вся свертывающаяся в трубу волна кажется вам просто покоящейся за вашей спиной, над головой и повсюду вокруг вас.

Полное понимание проблемы пришло к Эйнштейну лишь в 1905 году. Световые волны отличаются от всех прочих. Водяная волна, которую оседлывает серфер, может казаться ему неподвижной, поскольку все ее составляющие занимают относительно друг друга устойчивое положение. Именно поэтому вы можете, стоя на доске, оглянуться и увидеть нависшую над вами пелену воды. А вот свет ведет себя иначе. Световая волна поддерживает себя в состоянии движения только благодаря тому, что одна ее составляющая, двигаясь вперед, подпитывает своей энергией другую. (Электрическая составляющая, устремляясь вперед, «выдавливает» из себя магнитную, затем магнитная составляющая расходует энергию на создание нового «всплеска» электрической, после чего весь цикл повторяется.) Если вам начинает казаться, что вы развили скорость, достаточную для того, чтобы удерживаться вровень со световым потоком, приглядитесь повнимательнее и вы увидите: та составляющая, которую вы, по вашему мнению, того и гляди нагоните, питает своей энергией другую, все еще уносящуюся от вас.

Попытка нагнать луч света и увидеть его словно бы неподвижно стоящим на месте, равносильна заявлению: «Желаю увидеть размытые дуги, которые описываются мячами жонглера, но чтобы сами мячи при этом не двигались». Так не бывает. Увидеть размытые очертания жонглерских мячей можно лишь тогда, когда они летят по воздуху, и летят быстро.

Эйнштейн пришел к выводу, что свет может существовать, лишь как стремительное движение световой волны. Мысль эта таилась в работах Максвелла более сорока лет, однако никто ее там не обнаружил.

Это новое понимание природы света изменило все, ибо скорость света стала фундаментальным пределом любой скорости, какую можно развить в нашей вселенной — быстрее не способно двигаться ничто.

Тут легко впасть в заблуждение. Если вы уже движетесь со скоростью 299999999 м/с, разве не можете вы добавить в двигатель топлива и развить скорость чуть большую — 300000000, а там и 300000001 м/с — и обогнать свет? Ответ состоит в том, что нет, не можете, и нынешнее состояние земной техники тут решительно ни при чем.

Чтобы понять это, следует помнить, что скорость света есть не просто число, она связана с физическим процессом. Если я скажу вам, что -273 (отрицательное 273) это самое малое из существующих чисел, вы ответите мне, что я заблуждаюсь, и будете совершенно правы: число -274 меньше, — 275 еще меньше и так можно продвигаться до бесконечности. Но предположим, что мы говорим о температуре. Температура вещества это показатель активности движения частиц, из которых оно состоит, и существует некая точка, при достижении которой, частицы эти вибрировать перестают вообще. Это происходит примерно при -273 градусов по Цельсию, и по этой причине -273 и называют «абсолютным нулем», — если речь идет о температуре. Чистые числа могут быть и меньшими, а вот физические показатели не могут: ни монета, ни снегоход, ни гора не способны вибрировать еще слабее, если они уже полностью перестали вибрировать.

То же и со светом. 300000000 м/с, число, измеренное Ремером для, распространявшегося от Юпитера света, представляет собой еще и утверждение о том, на что похож сам свет. То есть о физическом «явлении». Свет всегда будет подобием чехарды — электричество «выскакивает» из магнетизма, затем магнетизм из электричества, и оба они стремительно улетают от всего, что пытается их нагнать. Именно поэтому скорость света и составляет высший предел любых скоростей.

Мысль интересная, может сказать циник, но даже если верхний предел скорости существует, нам-то что с того? Как может влиять его существование на движение тел во вселенной? Ну поставьте на шоссе щит с надписью: «Внимание: скорость, превышающая 300000000 м/с достигнута быть не может!» — машины все равно будут проноситься мимо него так, точно его там нет.

Ой ли? Именно здесь вся аргументация Эйнштейна делает полный круг и возвращается к своему истоку: здесь он показывает, что удивительные свойства света — то обстоятельство, что он по самой природе своей неизменно ускользает от нас и потому его скорость представляет собой верхний предел любой другой, — наконец-то, по-настоящему соотносится с природой энергии и массы. Чтобы понять, как это происходит, давайте рассмотрим пример, являющийся производным от того, которой приводил сам Эйнштейн.

Предположим, что некий космический корабль летит со скоростью, очень близкой к скорости света. При нормальных обстоятельствах, когда он движется медленно, подкачка энергии в двигатели корабля позволяет увеличить его скорость. Однако, когда скорость эта почти достигает скорости света, все изменяется. Лететь еще быстрее корабль попросту не может.

Пилот корабля не желает смириться с этим и начинает лихорадочно щелкать переключателями на пульте управления двигателем, стараясь разогнать корабль посильнее. И, разумеется, видит, как любой луч света, замеченный им впереди корабля, уносится от него на полной скорости «с». Что, собственно говоря, видит и любой другой наблюдатель. Как ни старается пилот, догнать свет его кораблю не удается. Но что же происходит?

Представьте себе компанию студентов, забившуюся в телефонную будку, представьте их лица, приплющенные к ее стеклянным стенкам. Представьте парад с вьющимся над ним надувным шаром, соединенным с насосом, отключение которого по какой-то причине оказывается невозможным. Шар начинает раздуваться и приобретает размеры намного большие тех, какие для него были задуманы. Примерно то же происходит и с космическим кораблем. Двигатели его ревут, перекачивая энергию, однако скорость корабля от этого не возрастает, поскольку ничто не может перемещаться быстрее света. Но ведь и энергия попросту исчезнуть тоже не может.

В результате, энергия, накачиваемая в двигатель, «сжимается» и обращается в добавочную массу. Сторонний наблюдатель видит, как начинает расти масса корабля. Поначалу совсем немного, однако по мере того, как продолжается подкачка энергии, масса все увеличивается и увеличивается. Корабль словно бы «раздувается».

Звучит довольно нелепо, и тем не менее, у сказанного имеются экспериментальные подтверждения. Если начать разгонять протоны, обладающие в неподвижном состоянии «единицей» массы, то поначалу они будут, как вы и ожидаете, набирать скорость. Однако затем, когда эта скорость приблизится к световой, наблюдатель обнаружит изменения, происходящие с самими протонами. Это явление наблюдается в ускорителях, расположенных под Чикаго, в ЦЕРНе (европейском центре ядерных исследований), который находится неподалеку от Женевы, — да, собственно, и везде, где работают физики. Сначала протоны, «раздуваясь», приобретают массу, равную двум единицам, — становятся в два раза тяжелее, чем были в начале эксперимента, — затем равную трем и так далее, — масса продолжает расти, пока в протоны накачивается энергия. При скорости, составляющей 99,9997 процентов «с», протоны становятся в 430 раз тяжелее, чем были. (При этом из окрестных электростанций забирается такая энергия, что эксперименты подобного рода приходится назначать на поздние ночные часы, — дабы от местных жителей не посыпались жалобы на перебои со светом.)

А происходит следующее: той энергии, которая накачивается в протоны или в наш воображаемый космический корабль, приходится обращаться в добавочную массу. Как и утверждает уравнение: «Е» может превращаться в «m», а «m» в «Е».

Это и объясняет присутствие «с» в уравнении. В нашем примере, в котором вы пытаетесь подобраться к скорости света, связь между массой и энергией становится особенно ясной. Число «с» есть просто-напросто коэффициент преобразования, показывающий, как работает эта связь.

Всякий раз, как вы связываете две развивавшихся независимо одна от другой системы, возникает необходимость в некотором коэффициенте преобразования. Чтобы перевести температуру из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта, вы умножаете ее величину по Цельсию на 9/5 и затем прибавляете 32. Для перехода от сантиметров к дюймам используется другое правило: сантиметры умножаются на 0,3937.

Коэффициенты преобразования выглядят произвольными, но лишь потому, что они связывают друг с другом отдельно развивавшиеся системы. Дюймы, к примеру, появились в средневековой Англии и имели своей основой длину большого пальца человека. Большие пальцы это превосходная портативная мерка, поскольку даже от наибеднейшего бедняка можно ожидать, что он принесет их с собой на рынок. Сантиметр же приобрел популярность столетия спустя, во время Французской революции, его определили как одну миллиардную расстояния от экватора до северного полюса, измеренного вдоль проходящего через Париж меридиана. Нет ничего удивительного в том, что согласование двух этих систем сопряжено с некоторыми затруднениями.

Энергия и масса также рассматривались в течение веков как вещи совершенно различные. Представления о них развивались, не соприкасаясь друг с другом. Энергия мыслилась в лошадиных силах или в киловатт-часах; массу измеряли в фунтах, килограммах, тоннах. Связывать эти единицы никому в голову не приходило. Никто и в мыслях не имел того, до чего додумался Эйнштейн: энергия и масса могут «естественным» образом переходить одна в другую, как мы уже видели на примере космического корабля, а связывающим их коэффициентом преобразования является «с».

Читатель, возможно, гадает, когда же мы доберемся до теории относительности. Отвечаем: мы уже вовсю пользуемся ею! Все наши разговоры об ускоряющемся космическом корабле и возрастающей массе представляют собой центральные моменты статьи, опубликованной Эйнштейном в 1905 году.

Работа Эйнштейна изменила две отдельных системы взглядов, которые ученые построили на основе посвященных законам сохранения трудов девятнадцатого столетия. Энергия не сохраняется, масса тоже — однако это не означает, что вокруг нас царит хаос. Нет, просто существует единство более высокого порядка, ибо имеет место связь между тем, что происходит в царстве энергии, и тем, что происходит в отдельном на первый взгляд царстве массы. Количество приобретаемой массы всегда уравновешивается эквивалентным количеством теряемой энергии.

Лавуазье и Фарадей увидели только часть истины. Энергия не стоит особняком, точно так же, как масса. Неизменно постоянной оказывается сумма энергии и массы.

И это стало окончательным расширением отдельных законов сохранения, которые полагали установленными ученые восемнадцатого и девятнадцатого столетий. Причина того, что эффект, о котором мы говорим, оставался незамеченным, что до Эйнштейна никто о его существовании не подозревал, состоит в том, что скорость света слишком уж превосходит скорость любого привычного нам движения. Для пешехода этот эффект остается очень слабым да, собственно, для локомотива или реактивного самолета тоже, однако он существует и для них. И, как мы еще увидим, связь энергии и массы пронизывает весь наш современный мир: в большинстве самых обычных веществ кроется подрагивающая, готовая к употреблению энергия.

Установление связи энергии и массы через посредство скорости света было открытием великого значения — осталось, однако, прояснить еще одну деталь. Известная карикатура изображает Эйнштейна стоящим у доски и перебирающим одну возможность за другой: Е=mc1, Е=mc2, Е=mc3… На самом-то деле, заниматься этим ему не пришлось и на квадрат «с» он напал вовсе не случайно.

Так почему же коэффициент преобразования оказался равным с2?

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru