Однако происходит это не всегда. На самом деле закон сохранения массы может не работать.
На Большом электрон-позитронном коллайдере (БЭПК, Large Electron-Positron Collider, LEP), который на протяжении 1990-х годов работал в лаборатории ЦЕРН близ Женевы, электроны и позитроны (антиэлектроны) разгонялись до скоростей, на одну стомиллиардную (1011) меньше скорости света. После того как разгонявшиеся в противоположных направлениях частицы врезались друг в друга, оставалось множество осколков. В результате типичного столкновения могло получиться 10 πмезонов (пи-мезонов, пионов), протон и антипротон. Теперь сравним общую массу до и после:
электрон + позитрон: 2 × 1028 граммов;
10 пионов + протон + антипротон: 6 × 1024 граммов.
То, что получается в результате, весит примерно в 30 000 раз больше того, что было до столкновения. Ого!
Не многие законы когда-либо казались более фундаментальными, успешными и тщательно проверенными, чем закон сохранения массы. Тем не менее в данном случае он совершенно не подтверждается. Это похоже на то, как волшебник бросает в свою шляпу две горошины и вытаскивает из нее несколько десятков кроликов. Однако Мать-природа не дешевый обманщик; ее «магия» представляет собой глубокую истину. Нам предстоит кое-что прояснить.
Имеет ли масса происхождение?
Пока считалось, что масса сохраняется, не было смысла спрашивать о ее происхождении. Она всегда неизменна. Точно так же вы могли бы спросить о происхождении числа 42. (На самом деле на этот вопрос существует своего рода ответ. Если масса сохраняется во всех случаях, за исключением тех, когда Бог создает элементарные частицы, то Бог является источником массы. Таков был ответ Ньютона. Однако это не тот тип объяснения, которого мы будем придерживаться в данной книге.)
В рамках классической механики ни один ответ на вопрос: «Откуда берется масса?» не имеет смысла. Пытаясь получить массивные объекты из безмассовых, мы неизменно сталкиваемся с противоречиями. Это можно увидеть по-разному. Например:
основа классической механики, уравнение F = ma, описывает отношение динамической концепции силы (F), суммирующей все ощущаемые телом воздействия, и кинематической концепции ускорения (a), которое определяет, как движется это тело в результате данных воздействий. Масса (m) является связующим звеном между этими двумя концепциями. В ответ на действие данной силы тело с малой массой будет набирать скорость быстрее, чем тело с большой массой. Тело нулевой массы сошло бы с ума! Чтобы понять, как оно должно двигаться, пришлось бы делить на ноль, что считается недопустимым. Поэтому для начала телу лучше бы иметь какую-то массу;
в соответствии с ньютоновским законом тяготения каждое тело производит гравитационное воздействие, пропорциональное его массе. Пытаясь представить себе, что тело с ненулевой массой может состоять из не имеющих массы строительных блоков, вы приходите к противоречию. Гравитационное действие каждого строительного блока равно нулю, и неважно, сколько раз вы добавляете ноль к нулю, вы все равно получите нулевое действие.
Но если масса не сохраняется а она не сохраняется! мы можем поискать ее источник. Это еще не основа. Мы можем копнуть глубже.
Глава 3. Второй закон Эйнштейна
Второй закон Эйнштейна, m = Е / с2, поднимает вопрос о том, может ли масса быть понята более глубоко как энергия. Можем ли мы создать, как выразился Уилер, «массу без массы»?
Когда я еще только собирался начать преподавать в Принстоне, мой друг и наставник Сэм Трейман позвал меня в свой кабинет. Он хотел поделиться со мной своей мудростью. Сэм вытащил из ящика стола потрепанное руководство в мягкой обложке и сказал мне: «Во время Второй мировой войны ВМС приходилось в спешке обучать новобранцев налаживанию и использованию радиосвязи. Многие из этих новобранцев прибывали прямо с ферм, так что быстро ввести их в курс дела было очень трудно. С помощью той великолепной книги командованию военно-морского флота это удалось. Это шедевр педагогики. Особенно первая глава. Взгляни».
Он вручил мне книгу, открытую на первой главе. Она называлась «Три закона Ома». Я был знаком с одним законом Ома, известным соотношением V = IR, который связывает напряжение (V), силу тока (I) и сопротивление (R) в электрической цепи. Это оказалось первым законом Ома.
Мне было очень интересно узнать, каковы два других закона Ома. Перевернув несколько хрупких пожелтевших страниц, я обнаружил второй закон Ома: I = V / R. Я предположил, что третий закон Ома формулируется как R = I / V, и оказался прав.
Открывать новые законы легко
Тем, кто знаком с элементарной алгеброй, так очевидно, что эти три закона эквивалентны друг другу, что данная история воспринимается как шутка. Однако в ней заключен глубокий смысл. (Кроме того, в ней есть и неглубокий смысл, который, как мне кажется, Сэм хотел до меня донести. При обучении начинающих вы должны несколько раз сказать одно и то же, но по-разному. Соотношения, которые бесспорны для профессионала, могут не быть таковыми для новичка. Студенты не будут возражать против объяснения очевидного. Очень немногие люди обижаются, когда вы позволяете им почувствовать себя умными.)
Глубокий смысл содержит заявление великого физика-теоретика Поля Дирака. Когда его спросили, как он открывает новые законы природы, Дирак ответил: «Я играю с уравнениями». Суть в том, что различные способы написания одного и того же уравнения могут говорить о совершенно разных вещах, даже если они являются логически эквивалентными.
Второй закон Эйнштейна
Второй закон Эйнштейна формулируется следующим образом:
m = E / c2.
Первый закон Эйнштейна это, разумеется, E = mc2. Здорово, что первый закон предполагает возможность получения большого количества энергии из небольшого количества массы. Он наводит на мысль о ядерных реакторах и ядерных бомбах.
Второй закон Эйнштейна предполагает нечто совершенно иное. Он предполагает возможность объяснения того, как масса возникает из энергии.
На самом деле этот закон неправильно называть «вторым». В оригинальной работе Эйнштейна 1905 года вы не найдете уравнения E = mc2. Вы встретите уравнение m = E / c2. (Поэтому, возможно, нам следует назвать его нулевым законом Эйнштейна.) На самом деле в качестве названия этой статьи используется вопрос: «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Другими словами, может ли некоторое количество массы тела возникать из энергии содержащегося в нем вещества? С самого начала Эйнштейн размышлял о концептуальных основах физики, а не о возможности создания бомб или реакторов.
Понятие энергии играет гораздо более важную роль в современной физике, чем понятие массы. Это проявляется во многих отношениях. Сохраняется именно энергия, а не масса. Именно энергия фигурирует в таких фундаментальных уравнениях, как уравнение Больцмана для статистической механики, уравнения Шредингера для квантовой механики и уравнение Эйнштейна для гравитации. Масса в более техническом смысле проявляется в качестве метки для неприводимых представлений группы Пуанкаре. (Я даже не буду пытаться объяснить, что означает предыдущее утверждение, к счастью, суть заключается в самом факте утверждения.)
Таким образом, вопрос Эйнштейна бросает вызов. Если мы сможем объяснить массу в терминах энергии, мы улучшим наше описание мира. В этом случае в нашем рецепте нам потребуется меньшее количество ингредиентов.
Второй закон Эйнштейна позволяет дать хороший ответ на вопрос, который мы задали ранее. Откуда берется масса? Может быть, из энергии. На самом деле, как мы увидим далее, в основном так и есть.
Часто задаваемые вопросы
Разберем два отличных вопроса, которые люди часто задают мне на моих публичных лекциях о происхождении массы. Если они возникли и у вас, примите мои поздравления! Эти вопросы касаются основных сложностей, связанных с возможностью объяснения массы в терминах энергии.
Вопрос 1: если E = mc2, то масса пропорциональна энергии. Таким образом, если сохраняется энергия, не значит ли это то, что масса тоже сохраняется?
Ответ 1: короткий ответ заключается в том, что уравнение E = mc2 на самом деле применяется только к изолированным телам в состоянии покоя. Жаль, что это наиболее известное широкой публике уравнение физики иногда бывает непригодно. Обычно, когда речь идет о движущихся или взаимодействующих телах, энергия и масса не являются пропорциональными. В этих случаях уравнение E = mc2 просто не применяется.
Более подробный ответ можно найти в приложении A: «Частицы имеют массу, а мир энергию».
Вопрос 2: как может что-то состоящее из не имеющих массы строительных блоков испытывать воздействие гравитации? Разве Ньютон не говорил нам о том, что сила тяжести, действующая на тело, пропорциональна его массе?
Ответ 2: в своем законе тяготения Ньютон действительно сказал, что действующая на тело сила тяжести пропорциональна его массе. Однако Эйнштейн в своей более точной теории гравитации, общей теории относительности, сказал нечто другое. Всю эту историю довольно сложно описать, и я не буду пытаться сделать это в данной книге. Очень грубо говоря, там, где Ньютон говорит, что сила пропорциональна m, более точная теория Эйнштейна говорит, что эта сила пропорциональна Е / с2. Как мы уже говорили в предыдущем вопросе и ответе, это не одно и то же. Эти параметры почти одинаковы для изолированных, медленно движущихся тел, однако они могут быть очень разными для взаимодействующих систем тел или для тел, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.
На самом деле сам свет является наиболее ярким примером. Частицы света, фотоны, имеют нулевую массу. Тем не менее свет отклоняется под действием силы тяжести, так как фотоны имеют ненулевую энергию, а сила тяжести воздействует на энергию. Действительно, одно из самых ярких подтверждений общей теории относительности это отклонение лучей света Солнцем. В данной ситуации гравитация Солнца воздействует на не имеющие массы фотоны.
Если продолжить эти размышления, то одним из самых впечатляющих следствий общей теории относительности станет возможность представить себе объект с такой сильной гравитацией, что она изменяет траекторию фотонов. И настолько сильно, что частицы движутся назад, даже если сначала они двигались вперед. Такой объект представляет собой ловушку для фотонов. Ни одна частица света не может из нее выбраться. Это черная дыра.