Почему E=mc²? И почему это должно нас волновать

Одним из самых замечательных достижений в физике за прошедшие сто лет стало осознание того, что, по всей вероятности, нам необходимо совсем немного законов для объяснения почти всех физических процессов, во всяком случае теоретически. Казалось, Ньютон достиг этой цели, когда еще в конце XVII века сформулировал законы динамики. На протяжении следующих двух сотен лет почти не было научных доказательств обратного. Однако сам Ньютон более скромно оценивал ситуацию. Однажды он сказал: «Я был подобен мальчику, который играет на морском берегу и время от времени развлекается тем, что ищет более гладкий камешек или более красивую ракушку, тогда как великий океан истины оставался для меня неизведанным». Эти слова прекрасно передают суть скромного чуда, которое может совершить время, потраченное на изучение физики. Когда видишь всю красоту природы, кажется ненужным и даже глупым претендовать на открытие абсолютной теории. Однако вопреки этой весьма уместной философской скромности в плане оценки научной деятельности постньютоновская картина мира гласила, что все сущее может состоять из крохотных элементов, которые послушно подчиняются законам физики, сформулированным Ньютоном. Следует признать, что при этом оставались на первый взгляд несущественные вопросы, не получившие ответа: как все сущее на самом деле держится вместе? Из чего в действительности состоят эти крохотные элементы? Однако мало кто сомневался, что в основе всего лежит теория Ньютона. Предполагалось, что остальное сведется к выяснению деталей[45]. Однако в XIX столетии ученые наблюдали все больше явлений, которые не подчинялись законам Ньютона и со временем создали предпосылки для теории относительности Эйнштейна и квантовой теории. Как и следовало ожидать, законы Ньютона были опровергнуты, или, если точнее, было показано, что они представляют собой приближение более точной картины мира. Сто лет спустя мы, похоже, снова игнорируем уроки прошлого и заявляем, что у нас (почти) есть теория, объясняющая все, что происходит во Вселенной. Вполне возможно, что мы опять ошибаемся, и это не так уж плохо. Следует помнить, что в прошлом можно найти много доказательств несостоятельности научного высокомерия. Кроме того, представление о том, что мы знаем об устройстве мира достаточно или даже все, что нужно, всегда приносило и, по всей видимости, будет приносить огромный вред человеческому духу. В 1810 году Гемфри Дэви сказал в своей публичной лекции такие замечательные слова: «Ничто не сказывается на развитии человеческого разума настолько пагубно, как предположение, что наши научные взгляды неоспоримы, что в природе больше нет новых загадок, что наши победы завершились и что больше нет новых миров, которые можно было бы покорять».

Не исключено, что вся физика в известном нам виде – это всего лишь вершина айсберга, а может, мы действительно приближаемся к открытию «теории всего». Как бы то ни было, одно можно сказать наверняка: в текущий момент у нас есть наглядно доказанная теория, ставшая результатом кропотливого труда тысяч ученых во всем мире, которую мы можем использовать для объяснения широкого диапазона явлений. Она удивительная, ибо многое в себе объединяет, хотя ее основное уравнение может поместиться на обратной стороне конверта.

Мы называем это важнейшее уравнение центральным, и оно лежит в основе того, что сейчас известно как стандартная модель физики элементарных частиц. Это уравнение вряд ли будет что-то значить для большинства читателей, но мы не можем не привести его здесь.

Безусловно, только профессиональные физики поймут все детали данного уравнения, но мы разместили его не для них. Прежде всего мы хотели показать читателям одно из самых замечательных уравнений в физике – немного ниже мы объясним, почему оно такое замечательное. Помимо этого, существует реальная возможность прочувствовать всю красоту процессов, описываемых этим уравнением, просто поговорив о приведенных в нем символах даже без каких-либо знаний математики. Давайте для начала проанализируем область действия основного уравнения: какова его задача? Какую миссию оно выполняет? Задача этого уравнения – описать правила, по которым каждая частица во Вселенной взаимодействует с остальными частицами. Единственное исключение состоит в том, что, ко всеобщему огорчению, в этом уравнении не учитывается гравитация. Но несмотря на ее отсутствие, его область действия все же настолько перспективна, что это вызывает восхищение. Построение центрального уравнения – вне всяких сомнений, одно из величайших достижений в истории физики.