Жозе Душ Сантуш - Формула Бога
— Но это хоть раз удалось зафиксировать?
— Да. На ускорителе частиц ЦЕРН[12], в Швейцарии, электроны разгоняли до такой скорости, что их масса увеличивалась в сорок тысяч раз. Есть даже фотографии следов протонов после столкновений, представьте себе.
— Карамба!
— Поэтому никакое тело не способно достигнуть скорости света. Случись подобное, масса данного тела возросла бы до бесконечных величин, а это, в свою очередь, потребовало бы бесконечного количества энергии для приведения его в движение. Одним словом, такого просто не может быть. Отсюда принято говорить, что скорость света — это предельно возможная скорость во Вселенной. Резюмируя: ничто не может достичь скорости света, поскольку если бы некое тело смогло ее развить, масса его стала бы бесконечно огромной.
— А сам свет из чего состоит?
— Из частиц, называемых фотонами.
— А у этих частиц не возрастает масса, когда они перемещаются со скоростью света?
— В этом-то все и дело. Фотоны — это безмассовые частицы, которые находятся в состоянии чистой энергии, и даже время для них не существует. Поскольку они движутся со скоростью света, Вселенная для них является вневременной — она с точки зрения фотонов, рождается, растет и умирает в одно мгновение. — Ариана отпила глоток апельсинового сока и не глядя на Томаша продолжила: — Возможно, вы не знаете, что существует не одна теория относительности, а две… Как я уже отмечала выше, специальную, или частную теорию относительности Эйнштейн выдвинул в 1905 году. В ней он объяснил целый ряд физических явлений, однако его специальная относительность вступила в конфликт с классическим взглядом на гравитацию, и данную проблему требовалось решить. Ньютон считал, что резкое изменение массы предполагает моментальное изменение силы гравитации. Но такого не может быть, поскольку для этого требуется, чтобы существовало нечто более быстрое, чем свет. Предположим, что в данный момент на Солнце происходит вспышка. Специальная теория относительности предусматривает, что указанное событие на Земле ощутят по прошествии восьми минут, ибо ровно столько времени требуется свету, чтобы покрыть расстояние между Солнцем и Землей. По Ньютону же выходило, что эффект должен ощутиться мгновенно. То есть на Земле вспышку должны почувствовать в тот самый момент, когда она происходит на Солнце. Однако это невозможно, ибо ничто не перемещается в пространстве быстрее света, не так ли? Для решения этой и других проблем в 1915 году Эйнштейн создает общую теорию относительности, согласно которой чем большей массой обладает тело, тем более искривлено пространство вокруг него, а следовательно, тем большую силу притяжения это тело имеет. Например, у Солнца притяжение более сильное, чем у Земли, потому что оно обладает значительно большей массой. Это понятно?
— Гм-мм… А можно поподробнее?
Ариана развела руки в стороны.
— Представьте себе пространство в виде туго натянутой простыни, которую мы держим за углы. А теперь представьте, что на эту простыню, посредине, поместили футбольный мяч. Простыня под мячом искривится, ведь так? Если я теперь брошу на нее, скажем, бусину, эта бусина покатится к середине простыни, притягиваемая мячом. Во Вселенной происходит то же самое. Солнце столь велико, что пространство вокруг него искривлено. Если какой-либо внешний объект приблизится к Солнцу с незначительной скоростью, этот объект о него разобьется. Если же приблизится объект, сравнимый по своей массе и скорости движения с Землей, то, подобно нашей планете, он станет обращаться вокруг Солнца, не падая на него и не убегая от него. А если таким объектом будет фотон, двигающийся со скоростью света, то при приближении к Солнцу он лишь немного искривит свою траекторию и убежит от светила, продолжая свой путь. В этом состоит суть общей теории относительности. Все тела деформируют пространство, и чем большую массу имеет тело, тем сильнее оно деформирует пространство вокруг себя. А поскольку пространство и время — две стороны одной медали, как и некоторым образом энергия с материей, это означает, что тела деформируют также и время. Чем большей массой обладает тело, тем медленнее течет время вблизи него.
— И какое отношение все это имеет к рукописи Эйнштейна?
— Может, самое прямое, а может, никакого, не знаю. Однако важно, чтобы вы понимали, что рукопись вышла из-под пера Эйнштейна в период, когда он работал над созданием единой теории поля.
— Ах да. Это еще одна теория Эйнштейна? Двух теорий относительности оказалось недостаточно?
— Эйнштейн сначала полагал, что достаточно, но вдруг столкнулся с квантовой теорией. — Ариана вновь склонила голову набок. — Надеюсь, вы знаете, что такое квантовая теория?
— Даже не знаю, что вам сказать.
— Не комплексуйте, — успокоила Ариана. — Некоторые ученые, работавшие над квантовой теорией, так и смогли ее постигнуть.
— Ну что ж, вы рассеяли мои тревоги.
— Итак, вопрос в следующем. Ньютонова физика отвечает потребностям нашей повседневной жизни. Чтобы построить мост или вывести спутник на околоземную орбиту, инженеры обращаются к физике Ньютона и Максвелла. Классическая физика дает сбой только тогда, когда мы сталкиваемся с тем, что не является частью нашей каждодневной практики и опыта, например, когда речь заходит об экстремальных скоростях или о мире частиц. Если для решения проблем, связанных с большими массами и высокими скоростям ми, появились две Эйнштейновы теории относительности, то для проблем мира частиц возникла квантовая теория.
— Таким образом, относительность — это для макро-, а квантовость — для микрообъектов.
— Ну да. — Ариана поморщилась. — Хотя важно отметить, что проявления мира микрочастиц макроскопичны, что вполне очевидно. Итак, квантовая теория появилась в 1900 году как следствие труда Макса Планка об испускании света горячими телами. Позже ее развил Нильс Бор, создавший самую известную теоретическую модель атома — ту самую, в которой электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.
— Ну, это — широко известный факт.
— Но гораздо менее известно о необычном поведении частиц. Некоторые физики пришли к выводу, что субатомные частицы способны переходить с одного уровня энергии на другой, минуя переходное состояние.
— Минуя переходное состояние между двумя уровнями?
— Это весьма странное и спорное явление получило название квантового скачка. Его можно сравнить с подъемом человека по лестнице. Мы переступаем со ступеньки на ступеньку без каких бы то ни было промежуточных этапов между ними, ведь так? Между двумя ступеньками нет полуступеньки. Мы как бы подпрыгиваем и сразу оказываемся выше. И есть физики, которые отстаивают идею, что в мире квантов на уровне энергетических состояний происходит нечто подобное. Переход из одного состояния в другое выполняется без промежуточных стадий. Нам известно, что микрочастицы перемещаются скачкообразно. Но некоторые исследователи полагают, что когда речь идет о субатомном мире, пространство перестает быть непрерывным и становится как бы дробленым, порционным. То есть скачки совершаются без прохождения через промежуточное состояние. — Ариана опять сморщила лоб. — Должна сказать, лично я так не считаю и никогда не встречала никаких доказательств, это подтверждающих.
— Действительно, эта идея… э-э-э… довольно странная.
Ариана подняла кверху указательный палец.
— Это еще не все. Было установлено, что материя проявляется одновременно в частицах и в волнах. Как пространство и время или энергия и масса являются двумя сторонами одной медали, так же обстоит дело и с волнами и частицами, которые представляют две ипостаси материи. Проблема дала о себе знать, когда возникла необходимость перевести это в плоскость механики, которая позволяет предвидеть поведение материи. В классической и релятивистской физике механика детерминирована. Если, скажем, нам известно, где сейчас находится Луна, каковы направление и скорость ее движения, мы в состоянии рассчитать местоположение нашего спутника в определенный момент в будущем или прошлом. Например, Луна движется со скоростью тысяча километров в час в левую сторону от наблюдателя, это значит, что через час она переместится на тысячу километров влево. Это и есть механика. Благодаря ей, зная положение и скорость объектов, возможно предвидеть их эволюцию в пространстве. В квантовом мире все функционирует иначе. Даже если мы знаем координаты частицы, определить ее точную скорость нельзя. А если нам известна скорость, мы не можем зафиксировать точное местоположение. Это называется принципом неопределенности, идею которого сформулировал в 1927 году Вернер Гейзенберг. Принцип неопределенности сводится к тому, что мы можем знать достоверно либо скорость частицы, либо ее положение, но не то и другое одновременно.
