Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

С движением связан вид энергии, за которым закрепилось название греческого происхождения: кинетическая энергия. На этих прогулках я говорю о ней просто как об энергии движения. В привычном нам мире – т. е. при малых скоростях – это те самые «пополам», а именно эм-вэ-квадрат-пополам (mv²/2; m – масса, а v – скорость того, что движется). При увеличении скорости в два раза энергия движения возрастает в четыре раза, при увеличении скорости в три раза – в девять и т. д. Если бы так продолжалось и при скоростях, приближающихся к скорости света c, то разгон протона до этой скорости потребовал бы количество энергии, которое не так сложно было бы обеспечить. Но энергия движения зависит от скорости таким простым образом только при малых скоростях. На самом же деле взаимоотношения материи, движения и энергии более интересные.

Прежде всего энергия связана не только с движением, а со всем без исключения. Все, что имеется во Вселенной, несет в себе энергию, а все то, что с этим происходит, непременно включает передачу энергии или превращение ее из одной формы в другую. Главное свойство энергии в том, что она сохраняется. Она превращается из одной формы в другую, но не может исчезнуть или взяться из ниоткуда[84]. Чтобы протон быстро двигался, надо откуда-то взять необходимую энергию и передать ее протону. Большой адронный коллайдер (рис. 5.6) называется большим, потому что только на достаточно большой протяженности удается установить все те устройства, которые передают энергию протонам (кстати, черпая ее из электросети)[85].

На сцене опять появляется гамма-фактор (он, собственно, никуда уходить и не собирался). Правильное выражение для энергии движения, заменяющее те самые эм-вэ-квадрат-пополам, содержит гамма-фактор, а он ведет себя максимально несдержанно по мере приближения скорости к скорости света – становится сколь угодно большим. Из-за этого для продолжения разгона любого объекта требуется организовать передачу ему все большего и большего количества энергии. Пока протон, с той или иной степенью условности, покоится у нас в лаборатории, его энергия движения равна, конечно, нулю. Возьмемся разгонять его, приближаясь к скорости света c последовательными шагами. Сначала пожелаем, чтобы он двигался со скромной скоростью 1/2 c. Такое желание обернется для нас необходимостью снабдить протон энергией, которая в некоторых единицах, принятых среди тех, кто «занимается протонами», выражается как 0,145 Гэ В. Странное сочетание заглавных и строчных букв, обозначающее гигаэлектронвольты, выглядит довольно коряво, и до конца этого абзаца я просто не буду их явно указывать; нам важны не они, а появившееся число, чтобы сравнивать его с другими числами, которые сейчас возникнут. Итак, если мы нашли способ передать протону эти 0,145 (где уже заметно отличие от правила «эм-вэ-квадрат-пополам», которое дало бы 0,117), мы пройдем полдороги до скорости света; остается еще половина, 1/2 c. Пройдем половину оставшегося, чтобы до скорости света недоставало 1/4 c. Энергия движения такого более быстрого протона окажется в три с лишним раза большей – около 0,480, и эту недостающую энергию протону надо передать. Далее снова сократим отставание от света вдвое (до 1/8 c), затем еще раз вдвое (до 1/16 c), продолжая накачивать энергию в движение протона. После десяти таких уполовиниваний «недостача» до скорости света составит 1/2¹⁰ c (что вообще-то все еще не так мало – 292,8 км/с), но для этого понадобится снабдить протон энергией, равной 20,29. После следующих десяти уполовиниваний, когда до скорости света недостанет 1/2²⁰ c (а это уже 286 метров в секунду), энергия движения равна 678,2. Задача передать протону такую энергию вообще-то давно решена, потому что наш протон пока еще медленнее тех, которые разгоняются в Большом адронном коллайдере, но давайте поработаем еще лучше и разгоним протон так, чтобы он отставал от света всего на 1/2³⁰ c (28 сантиметров в секунду); это уже быстрее, чем в коллайдере, и требуемая энергия равна 21 733. Ну а если до скорости света недостает 1/2⁴⁰ c (около четверти миллиметра в секунду), то энергия движения протона – почти 700 000. Это (ах, если бы!) в сто раз больше, чем энергия движения, которую получают протоны в Большом адронном коллайдере. А далее микроскопические прибавки к скорости требуют энергии, исчисляемой в тех же единицах многими миллионами, миллиардами и т. д.; собственно, уже не так важно, в каких единицах эта энергия исчисляется, коль скоро она делается произвольно (сколь угодно) большой.

Непреодолимый барьер на пути к скорости света – энергия движения