Дао физики

Энергия — одно из важнейших понятий, используемых для описания природных явлений. Как и в повседневной жизни, в физике мы говорим, что тело обладает некоторой энергией, если оно способно совершить какую-либо работу. Энергия принимает множество разных форм: движения, тепловая, гравитации, электрическая, химическая и др. Например, камень, поднятый на некоторую высоту над землей, обладает гравитационной энергией. Если его бросить вниз, то последняя преобразуется в энергию движения (кинетическую), а при падении на землю он может совершить механическую работу, разбив что-нибудь. Более конструктивный пример — преобразование электрической или химической энергии в бытовых приборах в тепловую. В физике энергия всегда связана с протеканием тех или иных процессов, и фундаментальное значение этого понятия заключается в том, что общее количество энергии, принимающей участие в процессе, подчиняется закону сохранения. Энергия может изменить свою форму самым сложным образом, но никакая ее часть не теряется. Закон сохранения энергии принадлежит к числу важнейших законов физики. Ему подчиняются все известные законы природы, и до сих пор не было обнаружено никаких свидетельств его нарушения.

Масса тела — мера его собственного веса, т. е. гравитационного воздействия на него. Кроме того, масса характеризует инерцию тела, его сопротивление ускоряющим силам. Тяжелые тела сложнее привести в движение, чем легкие. Это известно каждому, кто хоть раз пытался сдвинуть с места машину. В классической физике понятие массы ассоциировалось также с представлениями о неуничтожаемой материальной субстанции — «материи», из которой должны состоять все вещи. Масса, как и энергия, подчиняется закону сохранения и не может исчезать.

Но теория относительности утверждает, что масса — не что иное, как одна из форм энергии. Энергия может не только принимать различные формы, которые были известны в классической физике, но и быть «законсервирована» в массе тела. Количество энергии, содержащееся, например, в частице, эквивалентно массе частицы, помноженной на скорость света в квадрате:

Будучи формой энергии, масса теряет свойство неуничтожимости и способна свободно преобразовываться в другие формы энергии. Последнее имеет место при столкновениях субатомных частиц. При этом некоторые частицы могут быть разрушены, а энергия, содержащаяся в их массе, преобразоваться в кинетическую и распределиться между другими частицами, участвующими в столкновении. А при столкновении частиц, движущихся с очень высокими скоростями, их кинетическая энергия может использоваться для образования новых частиц.

Следующая фотография (рис. 33) демонстрирует особый пример такого столкновения: протон влетает в пузырьковую камеру слева, выбивает электрон из атома (спиральный след), а затем сталкивается с еще одним протоном, создавая в процессе 16 новых частиц.

Рис. 33. Иллюстрация столкновения протона и электрона

Создание и уничтожение материальных частиц — одно из самых впечатляющих следствий эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений в экспериментах в физике высоких энергий масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в них, частично перейти в массы частиц, а частично — преобразоваться в кинетическую энергию новых участников процесса. В ходе таких столкновений сохраняется суммарная энергия — кинетическая и масс частиц. Сталкивание субатомных частиц друг с другом становится важнейшим инструментом для изучения свойств массы и энергии и их взаимоотношений. Последние подтверждались много раз; для ученых, занимающихся физикой частиц, эквивалентность массы и энергии настолько очевидна, что они определяют массы частиц в соответствующих единицах энергии.

Открытие, что масса — разновидность энергии, заставило нас кардинально пересмотреть наши взгляды на понятие частицы. Масса уже не рассматривается как величина, определяющая наличие в том или ином объекте определенного количества некой материальной субстанции, а частицы рассматриваются не как базовый «материал» природы, а как сгустки энергии. Но, поскольку энергия ассоциируется с работой и динамическими процессами, считается, что субатомные частицы имеют изначально динамическую природу. Чтобы осознать это, мы должны помнить, что эти частицы нужно рассматривать только с релятивистской точки зрения, в рамках которой пространство и время — неразрывный четырехмерный континуум. Частицы нужно представлять не как неподвижные трехмерные объекты, подобные бильярдным шарам или крупинкам песка, а как четырехмерные структуры в пространстве-времени. Их формы необходимо понимать динамически — как формы пространства и времени. Субатомные частицы — динамические модели, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный придает им характеристики объектов, обладающих массой, а временной — характеристики процессов, в которые включено количество энергии, равное их массе.