Книга Почему Е=mc?? И почему это должно нас волновать - Джефф Форшоу

Здесь следует обратить внимание на еще один важный аспект науки. С каждым очередным уровнем понимания формируется новая, более точная картина мира. Текущее понимание мироустройства никогда не претендовало на полную корректность в том смысле, что в науке нет абсолютных истин. На любом этапе истории, в том числе в наше время, совокупность научных знаний представляет собой не более чем ряд теорий и представлений об окружающем мире, которые еще не были опровергнуты.

Во всех приведенных выше примерах происходит очень маленькое, незначительное изменение массы, но высвобождение соответствующей энергии может быть весьма существенным. Камин согревает нас, а горячий пирог вкуснее холодного. В случае горящего угля энергия, содержащаяся в нем, имеет химическое происхождение. Молекулы, из которых состоит уголь, перегруппируются и превращаются в пепел в результате химической цепной реакции, инициированной зажженной спичкой. Когда связи между молекулами разрываются и перестраиваются, а атомы снова соединяются друг с другом, образуя новые молекулы, этот процесс сопровождается высвобождением энергии и сокращением массы. Химическая энергия берет свое начало в структуре атомов. Самый простой пример – отдельный атом водорода, который состоит из одного электрона, вращающегося вокруг одного протона. Это настолько простая структура, что физики могут использовать квантовую теорию, для того чтобы рассчитать, как должна меняться масса такого атома при изменении движения электрона вокруг протона. Существует минимальное значение массы атома водорода, которое на мизерных 0,00000000000000000000000000000000002 килограмма меньше совокупной массы электрона и протона, расположенных достаточно далеко друг от друга. Тем не менее в случае превращения в энергию значимость этой разницы заметно возрастает. Спросите об этом любого химика или испытайте на собственном опыте, расположившись у камина.

Поскольку специалисты по физике элементарных частиц так же ленивы, как и обычные люди, они не любят записывать очень малые числа со множеством нулей и десятичных знаков и обычно не измеряют массу в килограммах, используя вместо этого единицу под названием «электрон-вольт». Электрон-вольт равен энергии, получаемой электроном, ускоренным полем с разностью потенциалов один вольт. Это очень мало, и мы снова рискуем потратить много чернил, записывая длинные числа. Проще говоря, если вы возьмете батарейку на девять вольт и построите из нее маленький ускоритель частиц, это позволит вам придать электрону девять электрон-вольт энергии. Электрон-вольт можно превратить в массу, разделив его на квадрат скорости света (не забывайте, что E = mc²). Чтобы было понятнее, атом водорода имеет наименьшую массу, которая на 13,6 эВ/с² меньше совокупной массы протона (938 272 013 эВ/с²) и электрона (510 998 эВ/с²). (1 эВ – это краткое обозначение одного электрон-вольта энергии.) Обратите внимание, что сохранение знаменателя c² в единице измерения позволяет без труда определить, сколько энергии содержится в протоне, находящемся в состоянии покоя. Так как энергия рассчитывается посредством умножения массы на квадрат скорости света, с2 можно сократить и энергия будет равна просто 938 272 013 эВ.

Следует отметить, что масса атома водорода меньше, а не больше суммы его составляющих. Создается впечатление, будто этот атом содержит некую отрицательную энергию. В данном контексте в отрицательной энергии нет ничего мистического: фраза «содержит отрицательную энергию» означает только то, что для разделения атома на части понадобятся определенные усилия. Эту энергию часто обозначают термином «энергия связи». Следующая по величине масса атома водорода на 10,2 эВ/с² меньше суммы его составляющих[32]. Мистическая и зачастую неверно понимаемая квантовая теория на самом деле называется так именно потому, что такая масса представляет собой дискретную («квантованную») величину. Например, не существует атома водорода, масса которого была бы на 2 эВ/с² больше минимальной массы. В действительности в этом и состоит весь смысл слова «квант». Разность между массами атома водорода обусловлена переходом электрона на другую орбиту, по которой он движется вокруг ядра, представленного в случае атома водорода одним протоном.

С учетом вышесказанного необходимо весьма осторожно подходить к изображению орбит электрона, поскольку они не имеют ничего общего с орбитами планет, движущихся вокруг Солнца. Проще говоря, у атома с наименьшей массой электрон находится ближе к протону, чем у атома со следующей по величине массой, и так далее. Состояние, когда в атоме водорода электрон максимально приближен к протону, называют основным состоянием атома водорода, в котором он имеет минимально возможный вес. Если прибавить определенное количество энергии, электрон перейдет на следующую возможную орбиту и атом станет немного тяжелее, причем это происходит исключительно по причине притока к атому дополнительного количества энергии. В этом смысле приток энергии к атому подобен взведению пружины в мышеловке.

Все это вызывает встречный вопрос: откуда известны такие детали об атоме водорода? Мы ведь не измеряли все эти крохотные различия между значениями массы с помощью обычных весов. В основе квантовой теории лежит волновое уравнение Шредингера, которое мы можем использовать для прогнозирования значений массы. Легенда гласит, что Шредингер открыл уравнение, ставшее одним из самых важных в современной физике, когда проводил зимний отпуск со своей возлюбленной в Альпах во время новогодних и рождественских праздников 1925–1926 года. В учебниках по физике ничего не сказано о том, как он объяснил все это своей жене. Нам остается только надеяться, что она смогла оценить результат трудов супруга так же, как и целые поколения студентов-физиков, которые знают наизусть уравнение, получившее имя своего создателя. Рассчитать уравнение Шредингера для такого простого атома, как атом водорода, не так уж сложно, и эти расчеты украсили многие экзаменационные работы студентов последних курсов. Однако математическая разрешимость мало что значит без подкрепляющих доказательств, полученных в ходе экспериментов. К счастью, следствия квантовой природы строения атома наблюдать достаточно легко. В действительности мы видим их каждый день. В квантовой теории существует общий принцип, который можно сформулировать примерно так: если оставить в покое более тяжелый объект, он станет более легким, если это вообще возможно. Понять этот принцип нетрудно. Если объект оставить в покое, он не сможет стать тяжелее ввиду отсутствия притока энергии. С другой стороны, всегда существует вероятность, что он выделит часть энергии и станет легче. Безусловно, есть еще третий вариант, когда объект ничего не делает и остается неизменным, как зачастую и происходит. В случае атома водорода это означает, что его более тяжелая версия в конце концов потеряет часть своей массы. Это произойдет в результате выделения атомом водорода одной частицы света – фотона, с которым мы уже встречались. Например, в какой-то момент атом водорода с массой, самой близкой к минимальной, может внезапно превратиться в самый легкий атом водорода вследствие изменения орбиты электрона. Избыточную энергию несет в себе фотон[33]. Может наблюдаться и обратный процесс. Если фотон окажется рядом с атомом водорода, этот атом может поглотить его, что приведет к увеличению массы атома, поскольку под воздействием поглощенной энергии его электрон переходит на более высокую орбиту.