Роджер Пенроуз - Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики
Масса, материя и реальность
Произведем небольшую «ревизию» той картины мира, которую дала нам классическая физика. Во-первых, там существует пространство-время, выполняющее важнейшую функцию арены, на которой разыгрываются всевозможные физические процессы. Во-вторых, имеются физические объекты, задействованные в этих процессах, но ограниченные точными математическими законами. Физические объекты, о которых идет речь, бывают двух типов: частицы (корпускулы) и поля. Об истинной природе и отличительных особенностях частиц сказано немного, за исключением того, что у каждой частицы имеется своя мировая линия и каждая частица обладает индивидуальной массой покоя, (возможно) электрическим зарядом и т. д. С другой стороны поля описываются очень точно: электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, а гравитационное поле — уравнениям Эйнштейна.
В описании частиц мы сталкиваемся с определенной двусмысленностью. Если частицы имеют столь малые массы, что их собственным влиянием на поля можно пренебречь, то такие частицы называются пробными частицами, и их движение под действием полей задается однозначно. Выражение для силы Лоренца описывает реакцию пробных частиц на электромагнитное поле, законы движения по геодезическим линиям — на гравитационное поле (или соответствующую комбинацию в случае присутствия обоих полей). Поэтому частицы надлежит рассматривать как точечные, т. е. имеющие одномерные мировые линии. Но в тех случаях, когда влиянием частиц на поля (и, следовательно, на другие частицы) пренебрегать нельзя, т. е. когда сами частицы становятся источниками поля, их следует рассматривать как объекты с ненулевой протяженностью в пространстве. Иначе поля в непосредственной близости от каждой частицы обращаются в бесконечность. Такие протяженные источники создают распределение заряда-тока (ρ, j), необходимое для уравнений Максвелла, и тензор ЭНЕРГИЯ, входящий в уравнения Эйнштейна. Наряду с этим пространство-время, вмещающее в себя все частицы и поля, обладает изменчивой структурой, которая сама по себе описывает гравитационные явления. «Арена» принимает участие в том самом действии, которое на ней разыгрывается!
Это то, что нам говорит классическая физика о природе физической реальности. Ясно, что хотя очень многое уже известно — не стоит пока благодушно тешить себя надеждой на то, что картины мироздания, рисующиеся нам сейчас, не будут однажды перечеркнуты с появлением более глубоких теоретических построений. В следующей главе мы увидим, что даже те революционные преобразования нашей картины, которые совершила теория относительности, бледнеют и кажутся почти незначительными по сравнению с нововведениями квантовой теории. Но мы пока не закончили изучение классической теории и далеко не исчерпали всех ее возможностей. А у нее для нас еще припасен один сюрприз!
Чем в действительности является «материя»? Это реальная субстанция, из которой состоят физические объекты — «вещи» окружающего нас мира. Это то, из чего состоим вы и я, то, из чего сделаны наши дома. Каким образом можно квантифицировать эту субстанцию, т. е. выразить ее количественно? В наших элементарных учебниках физики излагается ясный ответ, который дал на этот вопрос Ньютон. Мерой количества материи, содержащейся в объекте или в системе объектов, служит его (или их) масса. Такой ответ действительно кажется верным: другой физической величины, которая может всерьез конкурировать с массой за право называться истинной мерой всей материи, содержащейся в объекте, просто не существует. Кроме того, масса сохраняется: масса, а следовательно, и полное материальное содержимое любой системы всегда должно оставаться одним и тем же.
Однако знаменитая формула Эйнштейна из специальной теории относительности
E = mc2
свидетельствует о способности массы (m) превращаться в энергию (Е) — и наоборот. Например, когда атом урана участвует в процессе распада, распадаясь на меньшие осколки, полная масса каждого из осколков (если бы их можно было привести в состояние покоя), была бы меньше исходной массы атома урана — но если учесть энергию движения, т. е. кинетическую энергию (см. гл.5, подгл. «Динамика Галилея и Ньютона»)[137] каждого осколка и пересчитать ее в терминах массы, разделив на c2 (по формуле Е = mc2), то мы обнаружим, что суммарная энергия осколков осталась неизменной. Масса действительно сохраняется, но, поскольку она отчасти состоит из энергии, после распада атома могут возникнуть сомнения, что именно масса служит мерой количества вещества в составе объекта. Энергия, по существу, зависит от скорости, с которой движется материя. Энергия движения скорого поезда весьма значительна, но если мы сидим в вагоне этого поезда, то с нашей точки зрения поезд вообще не движется. Энергия движения скорого поезда (хотя и не тепловая энергия случайных движений его отдельных частиц) была «сведена к нулю» подходящим выбором системы отсчета. В качестве поразительного примера, весьма наглядно демонстрирующего действие соотношения масса-энергия Эйнштейна, рассмотрим распад одной из разновидностей субатомных частиц — так называемого π°-мезона. Это — заведомо материальная частица, обладающая вполне определенной (положительной) массой. Через какие-нибудь 10-16 секунды π°-мезон распадается (как атом урана, но гораздо быстрее), при этом почти всегда на два фотона (рис. 5.36).
Рис. 5.36. «Массивный» π°-мезон распадается на два безмассовых фотона. Пространственно-временна́я картина показывает, как сохраняется 4-вектор энергии-импульса: 4-вектор π°-мезона есть сумма 4-векторов двух фотонов, получаемая по правилу параллелограмма (на рисунке этот параллелограмм покрыт точками)
Для наблюдателя, покоящегося относительно π°-мезона, каждый фотон уносит половину энергии и, в действительности, половину массы π°-мезона. Однако, «масса» фотона носит несколько призрачный характер, ибо это — чистая энергия. Если бы мы получили возможность быстро двигаться в направлении одного из фотонов, то смогли бы уменьшить его массу до сколь угодно малой величины — поскольку собственная масса (или масса покоя — с этим понятием мы вскоре познакомимся) фотона равна нулю. Все сказанное вместе образует непротиворечивую картину сохраняющейся массы, но эта картина сильно отличается о той, которой мы располагали раньше. Масса может, как и прежде, служить в некотором смысле мерой «количества материи» — но наша точка зрения теперь кардинально изменилась: так как масса эквивалентна энергии, то масса системы, как и ее энергия, зависит от движения наблюдателя!
Сейчас нам стоит более четко сформулировать ту точку зрения, к которой мы в итоге пришли. Сохраняющаяся величина, которая исполняет роль массы — это единый объект, известный как четырехвектор энергии-импульса (или, в другой форме записи, 4-вектор энергии-импульса). Его можно условно изобразить в виде стрелки (вектора), исходящей из начала О пространства Минковского и направленной внутрь светового конуса будущего точки О (или, если речь идет о фотоне, — лежащей на поверхности этого конуса, см. рис. 5.35).
Рис. 5.35. 4-вектор энергии-импульса
Эта стрела, направленная в ту же сторону, что и мировая линия объекта, содержит всю информацию о его энергии, массе и импульсе. Таким образом, «t-значение» (или «высота») конца стрелки, измеренная в системе отсчета наблюдателя, описывает массу (или энергию, деленную на с2) объекта, а пространственные компоненты задают импульс (деленный на с).
«Длина» этой стрелки в смысле Минковского — это важная величина, известная как масса покоя. Она описывает массу объекта в системе отсчета наблюдателя, покоящегося относительно этого объекта. Можно было бы рассматривать такую величину в качестве хорошей меры «количества материи», входящей в состав указанного объекта. Но подобная величина не аддитивна: если систему разделить на две, то исходная масса покоя не равна сумме масс покоя возникших в результате деления частей. Напомним рассмотренный выше распад π°-мезона. π°-мезон имеет положительную массу покоя, тогда как масса покоя каждого из возникших в результате распада фотонов равна нулю. Но свойство аддитивности выполняется для всей стрелки (четырехвектора), по отношению к которой мы должны выполнять «сложение» векторного типа, как показано на рис. 5.36. Именно вся стрелка служит мерой «количества материи»!
