Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Надо сказать, что та схема, которая прочно сидит в нашей голове и воспринимается как совершенно естественная, – та, где скорости всегда просто вычитаются (скорость света минус половина скорости света, как мы наивно ожидали, глядя на рис. 5.1) или складываются (скорость самолета в воздухе плюс скорость воздуха относительно побережья Гренландии), – это тоже логически непротиворечивая, математически последовательная схема. Как таковая она имеет полное право на существование. Она могла бы, наверное, работать, но этого не случилось в нашей Вселенной. Ее устройство основано на другой схеме, которая проявляет себя несколькими неожиданными способами – затрагивая не только движение, но и энергию, ход времени и даже концепцию прошлого и будущего.

Начнем с проявлений, затрагивающих энергию, – они довольно многочисленны.

*****

Энергия из массы. Каждое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (простейшее – ядро атома водорода – это один протон), но масса каждого ядра несколько меньше, чем суммарная масса протонов и нейтронов, из которых оно сложено. Методы определения массы сначала атомов, а затем непосредственно атомных ядер непрерывно совершенствуются уже в течение более ста лет, и сейчас массу ядер можно определять с точностью свыше одной миллионной доли, а массы протона и нейтрона известны даже с еще большей точностью. В большинстве атомных ядер обнаружился недостаток массы по сравнению с массой всех взятых по отдельности протонов и нейтронов. В расчете на каждый протон-или-нейтрон этот недостаток – дефект, как его называют, – равен 8 или даже 8,5 в тех единицах, в которых масса протона примерно равна 938,272, а масса нейтрона – 939,565. Слово «дефект» указывает, что «в собранном виде меньше»: несколько менее 1 % суммарной массы нейтронов и протонов «исчезает» при их соединении в атомное ядро.

Целое имеет меньшую массу, чем сумма всех его частей

Объяснение этого явления может показаться отвлеченно-теоретическим; вероятно, оно таким и является, но стоит помнить, что именно оно работает во всех проявлениях атомной/ядерной энергии, мирных и не мирных. Устойчивые или относительно устойчивые атомные ядра (а мир вокруг нас сложен в основном из устойчивых) удерживаются «в собранном виде» ядерными силами[78]. Ключевое слово – «удерживаются». Чтобы разобрать ядро на части, требуется затратить некоторую энергию. Эта энергия служит мерой дефекта массы: она оказывается равной «пропавшей» массе, умноженной на квадрат абсолютной скорости.

E = mc²

Возможно, при каком-то другом стечении исторических случайностей этот факт сначала открыли бы экспериментально, изучая ядерные превращения. Но получилось так, что его предсказали теоретически на основе размышлений о свойствах движения при наличии абсолютной скорости, вне всякой связи с атомными ядрами – про которые, кстати, на тот момент не было известно вообще ничего. Знание, выглядевшее весьма абстрактным, оказалось более чем практическим через тридцать с лишним лет, когда с его помощью стали рассчитывать энергию, выделяемую при ядерных превращениях: теоретическое положение о том, что масса, умноженная на скорость света в квадрате, есть энергия, появилось в статье Эйнштейна «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» в 1905 г. [66], а сообщение Гана и Штрассмана, что ядра урана делятся («Об обнаружении и свойствах щелочно-земельных металлов, полученных облучением урана нейтронами» [77]), было опубликовано 6 января 1939 г. Первое же испытание атомной бомбы было произведено 16 июля 1945 г.

Я не могу сдержаться и не отвлечься от мира фундаментальных явлений на мир людей. Продолжая эту прогулку, вы можете пропустить длинную цитату из книги [22] и отправиться сразу в начало следующего раздела этой главы. Контекст, необходимый для понимания описываемого момента: радиоактивность – превращение атомного ядра в одно из соседних по Периодической таблице за счет испускания «малой» частицы – была хорошо известна, но никто не думал, что ядро может разделиться примерно пополам, выделяя при этом энергию.