Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

О темной энергии нам известно еще меньше. Похоже, что она распределена совершенно равномерно, с одинаковой плотностью везде и всегда, как если бы она представляла собой неотъемлемое свойство пространства-времени. В отличие от любого обычного вида материи (даже суперсимметричных частиц или аксионов) темная энергия оказывает отрицательное давление. Она пытается разорвать вас! К счастью, несмотря на то, что на темную энергию приходится примерно 70 % массы всей Вселенной, ее плотность составляет всего лишь около 7 × 10–30 плотности воды, а ее отрицательное давление отменяет лишь 7 × 10–14 нормального атмосферного давления — меньше, чем триллионную часть. Я не знаю, когда у нас будут более четкие представления о том, что такое темная энергия. Думаю, не очень скоро. Но надеюсь, что я ошибаюсь.

Последнее слово

Я показал вам свой самый гладкий камешек, самую красивую раковину и непознанный океан. Надеюсь, они вам понравились. В конце концов, это ваш мир.

Приложение A. Частицы имеют массу, а мир — энергию

Как мы обсуждали в главе 3, закон E = mc2 выполняется для изолированных тел в состоянии покоя. Для движущихся тел правильным уравнением, связывающим массу с энергией, является:

,

где v — скорость.

Для покоящегося тела (v = 0) это уравнение превращается в E = mc2.

Когда тело, например протон или электрон, ускоряется, скорость (v) обычно изменяется, но масса (m) остается неизменной. Следовательно, в соответствии с уравнением изменяется энергия (Е).

На первый взгляд это может показаться противоположным тому, о чем говорится в книге. Мы сказали, что сохраняется энергия, а не масса. В чем проблема?

Сохранение энергии касается систем, а не отдельных тел. Совокупная энергия системы тел включает энергию движения (заданную формулой выше) и члены «потенциальной энергии», которые отражают взаимодействия между телами. Компоненты потенциальной энергии задаются другими формулами, которые зависят от расстояний между телами, их электрических зарядов и, возможно, от других вещей. Сохраняется только совокупная энергия.

Изолированное тело имеет постоянную скорость. Это первый закон движения Ньютона, который, в отличие от его нулевого закона, все еще кажется действительным. Когда тело изолировано, мы можем рассматривать его как систему. Таким образом, энергия тела должна сохраняться, и, согласно формуле, так и есть.

И наоборот, когда изменяется скорость тела, само это изменение является сигналом того, что оно не изолировано. Видимо, какое-то другое тело воздействует на него, что обусловливает изменение скорости. Действие одного тела на другое, как правило, передает энергию между ними. Сохраняется только совокупная энергия, а не энергия каждого тела в отдельности.

Когда мы создаем протон из кварков и глюонов, эти концепции объединяются. С фундаментальной точки зрения покоящийся протон представляет собой сложную систему из взаимодействующих кварков и глюонов. По отдельности кварки и глюоны имеют очень малую массу. Это, однако, не мешает всей системе иметь значительную энергию. Назовем ее E. Она сохраняется во времени, пока вся система, то есть протон, остается изолированной. В качестве альтернативы мы можем рассматривать изолированный протон как черный ящик: «тело» с массой m. Эти две величины, возникающие в альтернативных описаниях, связаны соотношением E = mc2 (или m = E / c2).

В главе 2 мы рассмотрели драматическое нарушение закона сохранения массы. Электрон и позитрон аннигилируют, и на выходе получается набор частиц, суммарная масса которых в 30 000 раз превышает массу исходных. Тем не менее энергия сохраняется. Скорости исходного электрона и позитрона были очень близки к скорости света. Поэтому согласно общему уравнению массы-энергии их энергия очень велика — намного больше mc2. Частицы, которые возникают в результате столкновения, хотя и являются более массивными, движутся немного медленнее. Когда вы складываете их энергии, рассчитанные по уравнению массы-энергии, сумма соответствует совокупной энергии исходного электрона и позитрона. (Как только частицы вылетают и разделяются, взаимодействие, или потенциальная энергия, становится пренебрежимо мало.)