Евгений Елизаров - Сколько будет 2+2?
Между тем общие идеи, как правило, выходят за пределы «юрисдикции» любых частных научных дисциплин. Иными словами, если мы ограничиваем свое любопытство исключительно их контекстом, мы в конечном счете оказываемся не в состоянии понять до конца даже «подведомственные» им истины. Так что, нравится нам это или нет, только овладение «мета-контекстом» любого факта способно пролить на них свет. Без этого мы обречены скользить лишь по самой поверхности явлений. Подобное же скольжение – это еще не наука, даже если оно сертифицировано ученой степенью.
Впрочем, и мы затронули пока еще только самую поверхность явлений. Операция «сложения» не может быть ограничена одним только перемещением в пространстве. Ведь в математике мы рассматриваем сумму как некоторое новое единое синтетическое образование.
Уже упоминавшийся нами Иммануил Кант говорил, что науку интересуют в первую очередь синтетические суждения. Он отличал их от аналитических, то есть от таких, существо которых может быть «расчислено», или, как говорят на философском жаргоне, «дедуцировано» в ходе исследования каких-то общих начальных положений. На этом жаргоне «дедукция» – это и вывод каких-то конкретных следствий из общих теоретических посылок и просто синоним строгого безупречного «вычисления» всех тех результатов, которые вытекают из наблюдаемых нами фактов. Кстати, сам Шерлок Холмс понимает свой метод именно во втором, а отнюдь не в первом значении, ибо в действительности его метод куда ближе к индукции, поскольку к синтетическому результату он всякий раз восходит, суммируя анализ отдельных разрозненных фактов. Наука занимается только неизведанным, между тем вовсе не аналитические суждения содержат в себе главный интерес для нее. Конечно, и здесь кроется много еще неизвестного для науки, но в сущности все это неизвестное относится к такому роду, что его вычисление можно поручить и ученикам. Любое же синтетическое суждение (может быть, самым простейшим его примером как раз и является математическое сложение) всегда обнаруживает в себе принципиальную новизну, нечто такое, что ранее не содержалось ни в одном из слагаемых.
Это очень важный пункт, который никак не должен пройти мимо нашего внимания. Ведь если и в самом деле ни одно из «слагаемых» не содержало в себе того, что обнаруживается в результате, то ясно, что все новое может быть привнесено только самим действием объединения, самим синтезом. А следовательно, именно здесь должна скрываться самая глубокая тайна эвристики, именно на этом пункте должна сосредоточиваться творческая мысль подлинного исследователя.
Известно, что именно таким – выполненным в виде мысленного эксперимента – объединением был установлен один из важнейших законов механического движения. Здравый смысл, обыденное сознание, обывательская интуиция (можно называть это как угодно) подсказывали: тяжелое тело обязано падать быстрее, чем легкое. Но вот это поверхностное представление было подвергнуто строгому логическому анализу. Предположим, – сказал Галилей, – что тяжелые тела и в самом деле падают быстрее, чем легкие. Тогда, присоединив к какому-нибудь тяжелому телу более легкое, мы должны были бы замедлить его движение. Но суммарная масса объединенных в единую связку тяжелого и легкого тел больше, чем масса одного только тяжелого. А значит, как единое образование связке они обязаны падать быстрее, чем одно тяжелое. Но целостная система не может падать одновременно и быстрее и медленнее одного (тяжелого) ее элемента. Поэтому вывод, вытекающий из этого знаменитого мысленного эксперимента, однозначно гласил: скорость падения всех тел строго одинакова и не зависит от их собственного веса.
Таким образом, вопрос о том, «что такое плюс?», как оказывается, носит отнюдь не риторический характер, именно поэтому к тайне сложения на протяжении всей истории познания обращались лучшие умы человечества.
Если искать некий общий физический аналог этого математического объединяющего действия, нужно прежде всего обратиться именно к процессам синтеза.
Вот один из них – синтез атомных ядер.
Мы знаем, что сегодня массы ядер можно измерить с очень высокой точностью при помощи масс-спектрометра. При этом оказывается, что полная масса атомного ядра всегда меньше суммы масс всех составляющих его нуклонов. Этот результат, получивший в теории название «дефекта массы», объясняется на основе установленной Эйнштейном эквивалентности массы и энергии. Численно этот «дефект» равен разности между суммой масс всех нуклонов, содержащихся в ядре атома, и массой самого ядра. Дело в том, что в ядрах различных атомов частицы «упакованы» по-разному, их связывают количественно разные силы. Сегодня установлено, что силы притяжения, или, другими словами, энергия связи, которая удерживает вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны, очень интенсивны на расстояниях порядка 10–13 см и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением дистанции. Установлено также, что при переходе от одного элемента Периодической системы Менделеева к другому энергия связи меняется, поэтому для отделения одной частицы от остальных требуется различные усилия.
Превращение одних элементов в другие путем деления тяжелых ядер или соединения легких в более тяжелые приводят к изменению энергии связи. При этих процессах масса получившихся ядер снова оказывается меньше исходных элементов. Ядра наиболее тяжелых атомов, которые стоят в конце Периодической системы, менее устойчивы, чем ядра элементов, расположенных в ее середине. Поэтому их удается расщепить, в результате чего образуются элементы с меньшими атомными весами. В свою очередь, ядра атомов, расположенных на противоположном полюсе системы элементов, выигрывают в устойчивости при их слиянии в более тяжелые. В том и в другом случае, то есть и при делении тяжелых, и при синтезе легких выделяется огромное количество энергии. Так, например, исследования показали, что «дефекту массы», равному 1 атомной единице массы (1/12 части массы изотопа углерода с массовым числом 12), отвечает энергия связи ядра, равная 931, 5037 МэВ.
Но, повторим, силы, которые связывают атомное ядро, действуют лишь на очень незначительных расстояниях. Между тем, кроме них, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.
В нормальных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы, преодолев электростатическое отталкивание, они могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако отталкивание можно преодолеть «грубой» силой, например сталкивая ядра, обладающие высокой относительной скоростью. Дж. Кокрофт и Э. Уолтон использовали этот принцип в своих экспериментах, проводившихся в 1932 в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Облучая литиевую мишень ускоренными в электрическом поле протонами, они наблюдали взаимодействие протонов с ядрами лития. С тех пор изучено большое число подобных реакций.
Приведем реакции с участием наиболее легких ядер – протона (p), дейтрона (d) и тритона (t), соответствующих изотопам водорода протию 1 H, дейтерию 2 H и тритию 3 H, – а также «легкого» изотопа гелия 3 He и двух изотопов лития 6 Li и 7 Li:
d + d – 3 He + n + 3, 25 МэВ
d + d – t + p + 4, 0 МэВ
t + d – 4 He + n + 17, 6 МэВ
3 He + d – 4 He + p + 18, 3 МэВ
6 Li + d – 24 He + 22, 4 МэВ
7 Li + p – 24 He + g + 17, 3 МэВ
Здесь n – нейтрон, g – гамма-квант. Энергия, выделяющаяся в каждой реакции, дана в миллионах электрон-вольт (МэВ). При кинетической энергии 1 МэВ скорость протона составляет 14 500 км/с.
«Недостающую» здесь массу, которая соответствует энергии связи атомного ядра (то есть «дефект массы»), можно определить из известного соотношения между энергией и массой, найденного Эйнштейном: w = mc2 .
Вообще говоря, взаимосвязь энергии с инерциальной массой впервые была открыта английским физиком Дж.Дж.Томсоном (1856–1944) еще за четверть века до Эйнштейна, в 1881 году. Им было установлено, что масса движущегося заряженного шара возрастает на величину, пропорциональную энергии электростатического поля. Однако коэффициент пропорциональности, полученный исследователем, составил 4/3 квадрата скорости света. Позднее, в 1900 году французский ученый Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912) пришел к выводу, что для сохранения принципа равенства действия противодействию необходимо предположить существование у электромагнитного поля некоторой плотности массы, которая в с2 раз меньше плотности энергии поля. В 1904 году австрийский физик Ф.Газенёрль (1874–1915) показал, что электромагнитное излучение, заключенное в замкнутой полости с отражающими стенками, увеличивает массу системы на величину, равную произведению энергии излучения на 8/3с2 . Лишь в 1905 молодой Эйнштейн строго вывел сегодня известное всем соотношение e =mc2 для частного случая испускания телом плоских волн в двух противоположных направлениях. Этот же закон он предложил распространить на все виды энергии. Так что в действительности фундаментальный вывод о связи между энергией и массой не был внезапным наитием какого-то одного гения, но венчал долголетние усилия многих ученых.
