Энергия и масса тел

Хотя Эйнштейн не был сторонником то¬го, чтобы его теория называлась «теорией относительности» (предлагая вместо этого термин «теория инвариантности», которое, помимо всего прочего, отражает неизмен¬ность скорости света), теперь нам понятен смысл этого термина. Работа Эйнштейна по¬казала, что понятия пространства и време¬ни, которые раньше казались независимы¬ми и абсолютными, на самом деле тесно взаимосвязаны и являются относительны¬ми. Эйнштейн пошел дальше и выяснил, что и другие физические характеристики ми¬роздания неожиданно тесно связаны между собой. Его самое знаменитое уравнение дает один из наиболее важных примеров такой связи. В этом уравнении Эйнштейн утвер¬ждает, что энергия объекта (Е) и его масса (m) не являются независимыми величина¬ми; зная массу, мы можем определить энер¬гию (умножив массу на квадрат скорости света, с2), а зная энергию, мы можем рас¬считать массу (разделив энергию на квадрат скорости света). Иными словами, энергия и масса, подобно долларам и евро, явля¬ются конвертируемыми валютами. Однако в отличие от денег, обменный курс, рав¬ный квадрату скорости света, зафиксиро¬ван раз и навсегда. Поскольку этот обмен¬ный курс столь велик (с2 — очень большое число), то энергии, сосредоточенной в не¬большой массе, может хватить надолго. Мир уже столкнулся с огромной разрушительной мощью, возникшей при превращении ме¬нее одного процента от 900 граммов ура¬на в энергию в Хиросиме. Наступит день, когда, используя термоядерные энергетичес¬кие установки, мы сможем продуктивно ис¬пользовать формулу Эйнштейна для удовле¬творения энергетических потребностей все¬го человечества с помощью неисчерпаемых запасов морской воды. С точки зрения поло¬жений, которые мы развивали в этой главе, уравнение Эйнштейна дает наиболее четкое объяснение фундаментальному факту, состо¬ящему в том, что ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. У вас может возникнуть вопрос, почему, на¬пример, нельзя взять какой-нибудь объект, скажем мюон, разогнать его на ускорителе до 298 000 км/с, т. е. до 99,5 % скорости света, потом «толкнуть его чуть посильнее», сооб¬щив ему скорость в 99,9 % световой, а после этого «врезать ему по-настоящему», заставив пробить барьер световой скорости. Форму¬ла Эйнштейна объясняет, почему подобные усилия никогда не увенчаются успехом. Чем быстрее движется тело, тем выше его энер¬гия, а, как показывает формула Эйнштей¬на, чем больше энергия тела, тем больше его масса. Например, мюон, двигающийся со скоростью, составляющей 99,9 % свето¬вой, весит намного больше, чем его непо¬движные собратья. В действительности он будет примерно в 22 раза тяжелее. (Мас¬сы, приведенные в табл. 1.1, относятся к ча¬стицам, находящимся в состоянии покоя.) Но чем больше масса объекта, тем труднее увеличить его скорость. Подталкивать ре¬бенка, едущего на велосипеде, — это одно, а толкать тяжелый грузовик — совсем другое. Поэтому, чем быстрее движется мюон, тем труднее увеличить его скорость. При скоро¬сти, составляющей 99,999 % скорости света, масса мюона увеличится в 224 раза; при скорости в 99,99999999% от световой она возрастет более чем 70 000 раз. Поскольку масса мюона неограниченно возрастает при приближении его скорости к скорости све¬та, потребуется затратить бесконечно боль¬шое количество энергии, чтобы он достиг или преодолел световой барьер. Это, конеч¬но, невозможно, и поэтому ничто не мо¬жет двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

Как мы увидим в следующей главе, этот вывод посеял семена второго крупного про¬тиворечия, с которым столкнулись физики в течение прошлого столетия, и которое, в конечном счете, обрекло на гибель еще од¬ну почтенную и уважаемую теорию — ньюто¬новскую универсальную теорию тяготения.

Б. Грин