Материя как конденсированная энергия

Ранее обсуждение вопросов объединения законов природы носило скорее абстрактный характер и осталось бы таким, если бы Эйнштейн не предпринял очередной решающий шаг. Он понял, что если пространство и время можно объединить в одну категорию, называемую пространство-время, то, вероятно, между ними есть и диалектическая связь. Если линейки сжимаются, а часы замедляют ход, рассудил он, тогда должно меняться и все то, что мы количественно оцениваем с помощью линеек и часов. Но в физической лаборатории с помощью линеек и часов измеряют почти все. Значит, физикам необходимо заново оценить все лабораторные величины, которые когда-то они считали постоянными.

К примеру, энергия — величина, которая зависит от того, как именно мы измеряем расстояния и временные промежутки. Экспериментальный автомобиль, на большой скорости врезающийся в кирпичную стену, явно обладает энергией. Но, если его скорость близка к скорости света, его свойства меняются. Автомобиль складывается гармошкой, часы в нем идут медленнее.

Более того, Эйнштейн обнаружил, что при увеличении скорости растет и масса автомобиля. Но откуда берется эта избыточная масса? Эйнштейн пришел к выводу, что из энергии.

Здесь напрашивались тревожные выводы. В число великих открытий в области физики XIX в. входил закон сохранения массы и энергии — иначе говоря, закон, согласно которому суммарная масса и суммарная энергия замкнутой обособленной системы остаются неизменными. Например, если автомобиль на большой скорости врезается в кирпичную стену, энергия автомобиля не исчезает, а преобразуется в звуковую энергию столкновения, кинетическую энергию разлетающихся осколков кирпича, тепловую энергию и т. д. Суммарная энергия (как и суммарная масса) до и после аварии остаются неизменными.

А теперь Эйнштейн утверждал, что энергия автомобиля может быть преобразована в массу — новый принцип сохранения, согласно которому суммарная величина массы и энергии, вместе взятых, всегда должна оставаться одинаковой. Материя не исчезает внезапно, энергия не берется ниоткуда. В этом отношении «богостроители» заблуждались, а Ленин был прав. Материя исчезает только с выбросом огромного количества энергии, и наоборот.

В возрасте 26 лет Эйнштейн точно подсчитал, как должно меняться количество энергии, если принцип относительности верен, и вывел соотношение E = mc2. Поскольку квадрат скорости света (с2) — астрономически большое число, небольшого количества материи достаточно для выброса огромного количества энергии. Мельчайшие частицы вещества — настоящие кладовые энергии, ее запасы более чем в миллион раз превосходят количество энергии, выделяющейся при химическом взрыве. В каком-то смысле материю можно считать почти не иссякающим источником энергии; иначе говоря, материя — конденсированная энергия.

В этом отношении мы видим принципиальное отличие трудов математика (Чарльза Хинтона) от трудов физика (Альберта Эйнштейна). Хинтон почти все свои взрослые годы пытался представить высшие пространственные измерения. Он не проявлял интереса к поискам физической интерпретации для четвертого измерения. Эйнштейн же видел, что четвертое измерение можно воспринимать как временн о е. Он руководствовался убеждением и чутьем физика, подсказывающими, что у высших измерений есть предназначение: служить для объединения законов природы. Добавив к списку привычных измерений высшее, он мог объединить физические концепции, не связанные в трехмерном мире, например материю и энергию.

Впредь материю и энергию следовало воспринимать как одно целое: материю-энергию. Непосредственным следствием работ Эйнштейна, посвященных четвертому измерению, стало создание водородной бомбы — самого мощного детища науки XX в.

«Самая удачная мысль в моей жизни»

Но удовлетворенности Эйнштейн не испытал. Одной его специальной теории относительности хватило бы, чтобы обеспечить ему место среди титанов физики. Однако этой теории чего-то недоставало.

Удачной находкой для Эйнштейна стало применение четвертого измерения для объединения законов природы путем введения двух новых понятий: пространства-времени и материи-энергии. Эйнштейн приоткрыл завесу, за которой скрывались самые сокровенные тайны природы, но понимал, что в его теории остается еще немало пробелов. Как связаны между собой две новые концепции? А именно: как быть с ускорением, которым пренебрегает специальная теория относительности? А с силой тяжести?

Друг Эйнштейна Макс Планк, основоположник квантовой физики, объяснил молодому Эйнштейну, что вопрос силы тяжести слишком сложен. Планк сказал, что Эйнштейн излишне амбициозен: «На правах давнего друга вообще не советую тебе браться за него, так как ты вряд ли достигнешь цели, а если и достигнешь, никто тебе не поверит»^[40]. Но Эйнштейн погрузился в размышления о тайнах гравитации. И опять ключом к историческому открытию стало умение задавать вопросы так, как это делают дети.

Иногда в лифте дети боязливо спрашивают: «А если веревка оборвется?» Правильный ответ: «Тогда ты станешь невесомым и будешь парить внутри кабины лифта, как в космосе, потому что и лифт, и пассажиры в нем падают с одинаковой скоростью. Несмотря на то что ты, как и кабина лифта, будешь двигаться с ускорением в поле тяготения Земли, это ускорение окажется одинаковым для вас обоих, следовательно, в кабине ты будешь невесомым, по крайней мере пока не достигнешь дна шахты».

В 1907 г. Эйнштейн осознал, что человеку, парящему в кабине лифта, может прийти в голову мысль, что кто-то таинственным образом отключил притяжение Земли. Однажды Эйнштейн вспоминал: «Я сидел в патентном бюро в Берне и вдруг подумал: „Если человек находится в состоянии свободного падения, он не чувствует собственного веса“. Я изумился. Эта простая мысль произвела на меня глубокое впечатление. И подтолкнула к разработке теории гравитации»^[41]. Эйнштейн называл эту мысль «самой удачной в своей жизни».

Поменяв ситуацию на прямо противоположную, он сообразил: человек, который находится в ракете, движущейся с ускорением, почувствует, как что-то вдавливает его в сиденье, словно на него воздействуют силы тяготения. (В сущности, сила ускорения, действие которой ощущают на себе космонавты, измеряется в g, т. е. кратна силе земного притяжения.) Эйнштейн пришел к выводу, что человек, движущийся с ускорением в ракете, может подумать, что действующие на него силы вызваны гравитацией.

Из детского вопроса Эйнштейн сделал вывод, касающийся фундаментальной природы гравитации: законы природы в системе отсчета, движущейся с ускорением, эквивалентны законам в гравитационном поле. Это простое утверждение, получившее название принципа эквивалентности, мало что значит для среднестатистического человека, но в руках Эйнштейна оно стало фундаментом теории космоса.

(Принцип эквивалентности также дает простые ответы на сложные вопросы физики. К примеру, если мы едем в автомобиле и держим воздушный шарик, наполненный гелием, а автомобиль вдруг поворачивает налево, наши тела отбросит вправо. Но куда в этом случае переместится шарик? Здравый смысл подсказывает, что вправо, как и наши тела. Но поиски точного ответа на этот каверзный вопрос ставили в тупик даже опытных физиков. Решение — применить принцип эквивалентности. Представим гравитационное поле, воздействующее на автомобиль справа. Гравитация заставит нас накрениться вправо, а воздушный шар с гелием, который легче воздуха и всегда стремится вверх — в сторону, противоположную силе притяжения, должен переместиться влево, в направлении поворота машины вопреки здравому смыслу.)

Эйнштейн воспользовался принципом эквивалентности, чтобы разрешить давнюю задачу о том, воздействует ли гравитация на луч света. В обычных условиях этот вопрос относится к весьма непростым. Но благодаря принципу эквивалентности ответ очевиден. Если включить фонарик внутри ракеты, движущейся с ускорением, луч должен преломиться вниз, к полу (поскольку ракета ускорилась под лучом света за то время, которое понадобилось лучу, чтобы распространиться по помещению). Следовательно, утверждал Эйнштейн, в гравитационном поле траектория движения света приобретет кривизну.

Эйнштейн знал, что согласно фундаментальному принципу физики луч света выберет путь, движение по которому между двумя точками займет наименьшее время (этот принцип называется принципом наименьшего времени Ферма). Как правило, путь между двумя точками, требующий наименьших затрат времени, — прямая линия, поэтому луч света прямой. (Даже когда свет отклоняется при прохождении сквозь стекло, он все равно подчиняется принципу наименьшего времени. Это происходит потому, что при прохождении сквозь стекло свет замедляет движение, и траектория, позволяющая с наименьшими затратами времени совершить путь сквозь воздух и стекло, теперь представляет собой кривую линию. Само явление называется рефракцией или преломлением, на нем строится работа микроскопов и телескопов.)^[42]

Но, если свет выбирает путь так, чтобы преодолеть расстояние между двумя точками за наименьшее время, а лучи света отклоняются от прямой под влиянием гравитации, тогда кратчайшим расстоянием между двумя точками является кривая линия. Этот вывод потряс Эйнштейна: если можно наблюдать, как свет движется по кривой, значит, само пространство искривлено.