Айзек Азимов - Нейтрино - призрачная частица атома
Теория Эйнштейна, названная специальной теорией относительности, возникла как следствие неспособности физиков измерить изменения скорости света при условиях, когда законы движения Ньютона предсказывали, что такие изменения должны быть. Поэтому Эйнштейн попытался создать систему обобщений, в которой скорость света оставалась бы неизменной.
Предположения Эйнштейна в корне отличались от ньютоновских, но в обычных условиях обе теории приводили к одинаковым выводам. (Это необходимо, так как Вселенная остается Вселенной, и ее свойства не меняются в зависимости от теории.) Разница между эйнштейновским и ньютоновским взглядами на Вселенную становилась заметной только при исключительно больших скоростях, близких к скорости света.
Эти исключительные условия были изучены, и в каждом случае обнаружено большее соответствие теории Эйнштейна. Специальная теория относительности Эйнштейна теперь окончательно принята физиками, и в течение полувековых исследований ничто еще не потрясло ее основы [11].
Основное положение теории Эйнштейна состоит в том, что ни одна из измеренных скоростей не может быть больше скорости света в вакууме. Максимальная измеренная скорость равна 299 792,5 км/сек, или приблизительно 3·1010 см/сек. Кроме того, теория рассматривает массу и энергию как разные формы одной и той же сущности. Масса ведет себя как чрезвычайно компактная форма энергии, а энергия является распределенной формой массы. Эйнштейн вывел соотношение между этими двумя формами, которое выражается ставшим теперь знаменитым уравнением
е = тс2,
где е обозначает энергию, т — массу, а с от латинского слова celeritas, означающего «скорость», — скорость света в вакууме.
Если в этом уравнении массу выразить в граммах, скорость света — в сантиметрах в секунду, то энергия получится в эргах. Поскольку скорость света очень велика, а квадрат ее еще больше, крошечной массе соответствует громадная энергия. Так, массе в 1 г соответствует энергия, равная 9 1020 г·см2/сек2, или 9·1020 эрг. Эквивалентом этого количества энергии является энергия 100-ваттной лампочки накаливания, горящей в течение тридцати пяти тысяч лет.
Из эквивалентности массы и энергии по теории Эйнштейна следует, что если система теряет энергию, то она теряет эквивалентную этой энергии массу, и наоборот.
Понятно, почему при обычных химических реакциях кажется, что масса сохраняется, — изменения энергии такого порядка, что вызывают неизмеримо малые изменения массы. Рассмотрим, например, сгорание бензина, химическую реакцию, при которой выделяется довольно большое количество энергии. Литр бензина весит 700 г и выделяет, сгорая, 8 000 000 кал, или 3,4·1014 эрг, которые эквивалентны всего лишь 4·10-7г.
Заметить исчезновение четырех десятимиллионных грамма из общей массы порядка тысячи граммов было за пределами возможностей химии XIX века. Поэтому даже наиболее точные измерения не обнаружили противоречия в законе сохранения массы. Закон сохранения массы используется до сих пор при рассмотрении химических реакций.
Закон сохранения массы и энергии
В ядерных реакциях изменения энергии столь значительны, что эквивалентностью массы и энергии уже нельзя пренебречь. Если следить за изменением одной только массы, кажется, что закон сохранения нарушается.
Чтобы убедиться в этом, рассмотрим соотношение между массой и энергией в единицах атомной шкалы масс. Тогда в уравнение е = тс2 будет входить не 1 г масссы, а масса 1 по атомной весовой шкале, приблизительно равная весу ядра атома водорода-1, самого легкого из известных атомных ядер. В действительности масса 1 по атомной шкале равна 1,67·10-24 г.
Несмотря на громадную величину с2, энергия, которой эквивалентна такая ничтожная масса, составляет только 0,0015 эрг.
В обычных повседневных масштабах 0,0015 эрг действительно величина небольшая, но по атомной шкале она равна примерно одному миллиарду электронвольт — это уже внушительная цифра. По данным последних измерений, масса 1 по шкале атомных весов эквивалентна 0,931478 Гэв или 931,478 Мэв.
Если положить массу ядра водорода равной 1,00797, она будет эквивалентна энергии 0,938 905 Бэв, а масса четырех таких ядер водорода эквивалентна энергии 3,75562 Гэв. С другой стороны, масса ядра гелия, равная 4,00280 по шкале атомных весов, эквивалентна энергии 3,72803 Гэв. Когда четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия, потеря массы, следовательно, составляет 0,02759 Гэв или 27,59 Мэв. Измеренная величина выделяющейся при этой реакции энергии оказалась очень близка к теоретической. Исследования показали, что во всех ядерных реакциях такого типа выделенная энергия соответствует исчезнувшей массе согласно уравнению Эйнштейна. В результате стало привычным говорить не о законе сохранения только массы или только энергии, а о законе сохранения массы и энергии. Однако можно говорить просто о законе сохранения энергии, имея в виду, что масса есть форма энергии. Именно так я буду поступать в дальнейшем.
Вернемся теперь к источнику солнечной энергии. Если действительно она возникает за счет превращения ядер водорода в гелий, колоссальная энергия, которая при этом образуется и излучается в окружающее пространство, должна быть сбалансирована эквивалентным исчезновением массы.
Суммарная энергия излучения Солнца, как я уже говорил, равна 5,6·1027 кал/мин, что эквивалентно 3,8·1033эрг/сек. Поделив на с2, получим, что излучение этой
энергии эквивалентно потере 4,2·1012 г в 1 сек, или 276 000 000 т в 1 мин.
По метеоритной теории солнечного излучения, каждую минуту на Солнце попадает 1,2·1020 г метеоритного вещества. Такая постоянная добавка к солнечной массе уменьшает продолжительность каждого года на две секунды. Потеря массы при превращении водорода в гелий составляет примерно одну тридцатимиллионную прироста массы, требующегося по метеоритной теории. В результате потери солнечной массы за счет ядерных реакций год увеличился бы только на одну секунду за пятнадцать миллионов лет. Изменение длины года трудно обнаружить, и оно не имеет для нас практического значения.
Фотоны
Теперь сделаем наоборот. Рассмотрев массу как проявление энергии, рассмотрим энергию как проявление массы. Фотон, например, обладает определенной величиной энергии, а она должна быть в свою очередь эквивалентна определенной величине массы.
Рис. 3. Спектр электромагнитных волн.
Согласно квантовой теории Планка, энергию фотона легко определить по длине световой волны. Чтобы выразить эту энергию в электронвольтах, надо величину 1,24·10-4, полученную в результате цепочки математических доказательств, приводить которые нет необходимости, разделить на длину волны света в сантиметрах. Величина самых длинных волн видимого света (темно-красного по цвету) равна грубо 7·10-5 см, а самых коротких (темно-фиолетового) 3,5·10-5 см. Следовательно, фотон самых длинных волн видимого света имеет энергию 1,8 эв, а самых коротких — 3,6 эв, т. е. с уменьшением длины волны пропорционально увеличивается энергия соответствующего фотона. В результате химических реакций освобождается около 4 эв энергии на каждый атом, поэтому не удивительно, что фотоны, возникающие при этом, часто находятся в диапазоне энергий видимого света.
Фотоны инфракрасного излучения обладают меньшими энергиями. Они невидимы, но мы можем ощущать их как тепло, поглощаемое кожей. Энергии фотонов ультракоротких и радиоволн еще меньше.
Обладающие большими энергиями фотоны ультрафиолетового излучения, испускаемого при некоторых химических реакциях, тоже невидимы, но их можно легко обнаружить по воздействию на фотопластинку. Длины волн ультрафиолетового света так малы, что энергия фотонов достигает 1000 эв. За областью самого коротковолнового ультрафиолетового света лежит область еще более коротких рентгеновских лучей, энергия фотонов которых находится в диапазоне от 1 до 100 кэв. И, наконец, энергии фотонов γ-лучей лежат в области миллионов электронвольт. Не удивительно поэтому, что ядерные реакции, освобождающие энергию в миллионы электронвольт, приводят в результате к образованию γ-квантов.
