Вся физика в 15 уравнениях

В современной физике мы знаем несколько таких случаев: Макс Планк и его константа, Эйнштейн и теория относительности, Дирак и его уравнение, — о чем в этой книге будет рассказано позже. Эти «скачки понимания» относятся к философии науки. Однако и для простого физика-экспериментатора, такого как я, знание великих примеров становится стимулом к сохранению ума открытым для принципиально новых концепций.

В своей работе ученые не изобретают каждый день новую теорию мироздания, и каждую неделю не обнаруживается новый яркий неожиданный эффект. Но мы смотрим на любые экспериментальные и теоретические результаты с острым любопытством: как новый результат соотносится с тем, что я уже знаю? Это важный эффект или второстепенный? Большинство из нас не станет новыми Эйнштейнами или Дираками, но даже на нашем скромном уровне важно иметь свою собственную модель мира, свою личную последовательную позицию, с помощью которой можно оспаривать как собственные результаты, так и результаты других. Все, как в старые добрые времена: знай то, что знаешь, и понимай, чего не знаешь…

Энергия Солнца…

Соотношение E = mc² открывает возможность использования чудовищной энергии (громадной в масштабе частицы), высвобождающейся в радиоактивных распадах. Частица с массой M распадается на две частицы с массами m₁ и m₂, причем сумма масс m₁ + m₂ меньше M. Разница в массе между начальной массой M и конечными массами частиц m₁ + m₂ превращается в энергию:

E = [M — (m₁ + m₂)]c².

Скорость света с — очень большая величина, поэтому, несмотря на мизерность масс атомов, выделяемая в ядерных реакциях энергия огромна по сравнению с энергией химических реакций.

Одним из непосредственных и поразительных следствий формулы Эйнштейна стало понимание того, почему светит Солнце. Пока без многих важных подробностей (для них потребуется полувековая эволюция ядерной физики), но формула открыла ученым глаза на существование нового мощнейшего источника энергии, который мог бы позволить нашей звезде производить огромное количество энергии, причем в течение длительного времени!

Примерно в конце XIX в., учитывая известные источники энергии (химические реакции, гравитационный коллапс) и зная массу Солнца, его возраст можно было бы оценить не более чем в несколько миллионов лет^[25]. Этот действительно парадоксальный вывод сделался предметом острой дискуссии о возможном возрасте Солнечной системы и Земли. Чарльз Дарвин наблюдал окаменелости и геологические отложения и определил возраст Земли как минимум равным нескольким сотням миллионов лет, что казалось достаточным для объяснения естественной эволюции видов и строения осадочных пород. Но физики (среди которых был и лорд Кельвин) утверждали, что такая продолжительность горения Солнца на энергии химических реакций была невозможна. Отсюда вытекает, что в то время физики выступали против дарвинизма. Довольно странная ситуация, если смотреть на это глазами наших современников!

Как только Анри Беккерель открыл радиоактивность, была выдвинута следующая гипотеза: радиоактивный распад может давать энергию звездам, включая Солнце. Но это именно та самая формула E = mc², и расчеты подтвердили, что это может дать удовлетворительное объяснение наблюдаемой продолжительности жизни звезд. После череды замечательных достижений в ядерной физике был открыт механизм ядерного синтеза. Теперь расчет времени жизни звезд опирался на строгую количественную основу. И в 1920 г. сэр Артур Эддингтон сделал следующее заявление:

«Если действительно субатомная энергия в звездах свободно используется для поддержания горения их гигантских печей, то это, кажется, немного приближает нас к осуществлению мечты о контроле этой скрытой силы для процветания человеческой расы — или для ее самоубийства».

…и атомной бомбы

Применение уравнения E = mc² ограничивалось теоретическими и экспериментальными исследованиями в области фундаментальной теории элементарных частиц вплоть до 1938 г., когда Отто Ган и Лиза Мейтнер^[27] (с помощью Фрица Штрассмана и Отто Фриша) обнаружили спонтанное деление ядер атомов урана. Затем было открыто, что существует возможность возникновения цепной реакции деления ядер, которая практически одномоментно способна вовлечь в процесс деления большое количество атомов, содержащихся в нескольких килограммах урана или плутония, высвобождая огромное количество энергии. Это уже относилось не к абстрактной теории микроскопических частиц или бесконечно далеких звезд; такая реакция могла быть запущена человеком с использованием вполне доступных в природе элементов, таких как уран, и тем самым открыть путь к высвобождению гигантской энергии из крошечного количества материи.