Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности

В следующей жизни я планирую открыть школу естественных наук для художников – пусть люди искусства получают дипломы, подтверждающие, что они осведомлены об устройстве мира природы. По окончании они получат право искажать действительность – но с умом, опираясь на подлинные знания, и это послужит их художественным творениям лишь на пользу.

Когда по экрану поплывут титры – режиссер, продюсер, художник-постановщик, оператор и все-все-все, кто там упомянут, с гордостью укажут, что состоят в обществе ИВИ – борцов за истину в искусстве.

[6] Эта статья в 2005 году получила приз Американского института физики «Лучшее научно-популярное сочинение».

Физика описывает поведение вещества, энергии, пространства и времени и их взаимодействие во Вселенной. Судя по всему, что сумели выяснить ученые, то, что делают друг с другом эти четыре главных героя космической драмы, определяет все химические и физические явления. Поэтому все фундаментальное, все знакомое нам, землянам, начинается с законов физики.

Передний фронт открытий почти во всех областях научных исследований, а особенно в физике, лежит в царстве эксперимента. При предельных состояниях вещества, например в окрестностях черной дыры, обнаруживаешь, что гравитация жестоко скручивает близлежащий пространственно-временной континуум. При предельно высоких энергиях поддерживается термоядерный синтез в недрах звезд, когда температура составляет десять миллионов градусов. И при любых мыслимых предельных состояниях обязательно получаешь те самые условия чудовищного жара и чудовищной плотности, которые преобладали во Вселенной в первые мгновения ее существования.

Мы рады сообщить, что никаких предельных физических состояний в повседневной жизни не наблюдается. Обычно по утрам, если все идет нормально, встаешь с постели, слоняешься по дому, что-то ешь, потом выбегаешь за дверь. Родные и близкие полностью рассчитывают на то, что к вечеру ты будешь выглядеть точно так же, как поутру, и вернешься домой целым и невредимым. А теперь представьте себе, что вы приходите на работу, в душный конференц-зал на важное совещание, назначенное на десять ноль-ноль, и вдруг разом теряете все свои электроны – или, хуже того, все атомы, составляющие ваш организм, разлетаются в разные стороны. Или, например, сидите вы в кабинете, стараетесь хоть что-то сделать при свете настольной лампы, и вдруг кто-то включает верхний свет, и от этого ваше тело начинает метаться по комнате, беспорядочно отражаясь от стен, пока вас не выносит в окно. Или вы после работы идете посмотреть соревнования по сумо – и видите, как два сферических господина сталкиваются, исчезают и ни с того ни с сего превращаются в два луча света!

Если бы подобные сцены разыгрывались изо дня в день, современная физика не казалась бы такой диковинной, познания о ее основах естественным образом вытекали бы из нашего жизненного опыта, а наши родные и близкие ни за что не выпускали бы нас из дома на работу. А когда-то, в первые мгновения существования Вселенной, такое происходило сплошь и рядом. Чтобы представить себе и понять, как это было, есть лишь один способ – завести себе здравый смысл иного порядка, выработать иное интуитивное понимание того, как должны действовать законы физики при экстремальных температурах, плотностях и давлении.

Добро пожаловать в мир E = mc² .

Версию своей знаменитой формулы Эйнштейн опубликовал в 1905 году в своей эпохальной статье под названием «К электродинамике движущихся тел». Понятия, выдвинутые в этой статье, известны как специальная теория относительности, и они навсегда изменили наши представления о пространстве и времени. Эйнштейну было тогда всего 26 лет. Подробнее он рассказал о своем аккуратненьком уравнении в отдельной и, что примечательно, совсем короткой заметке, которая вышла в свет в том же году – «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Чтобы избавить вас от штудирования этой статьи, организации эксперимента и проверки теории, поясню, что ответ – «Да».

Как писал Эйнштейн:

Если тело отдает энергию L в виде излучения, то его масса уменьшается на L/V² (Здесь L – энергия, V – скорость излучения, то есть, скорость света, поэтому это выражение соответствует более привычной записи E/c² . – Прим. перев. ) … Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии; если энергия изменяется на величину L, то масса меняется соответственно…

Эйнштейн не был вполне уверен, что это утверждение истинно, и затем предположил:

Не исключена возможность того, что теорию удастся проверить для веществ, энергия которых меняется в большей степени (например, для солей радия).

Итак, перед вами алгебраический рецепт на все случаи жизни, когда вам захочется преобразовать вещество в энергию или энергию в вещество. Этими простыми словами Эйнштейн невольно подарил астрофизикам вычислительный инструмент E = mc² , который позволяет им заглянуть из Вселенной в том виде, в каком она пребывает сейчас, глубоко в прошлое, в самое начало, когда с момента ее рождения миновали ничтожные доли секунды.

Самая известная форма энергии – это фотон, неделимая частица света, лишенная массы. В фотонах мы просто-таки купаемся – к нам долетают фотоны и с Солнца, Луны и звезд, и от газовой плиты, торшера и ночника. Почему же мы не сталкиваемся с E = mc² ежедневно, на личном опыте? Энергия фотонов видимого света несравнимо меньше, чем энергия субатомных частиц с самой маленькой массой. Фотон не может ни во что превратиться, поэтому жизнь его течет счастливо, почти без потрясений.

Хотите приключений? Заведите себе компанию фотонов из гамма-лучей, у которых энергия уже нешуточная, по крайней мере в 200 000 раз больше, чем у видимых фотонов. Правда, вы довольно скоро заболеете раком и умрете, зато успеете увидеть, как везде, где пробегали эти фотоны, возникают пары электронов и позитронов – частица со своей античастицей, одна из множества сладких парочек в субатомном мире. На ваших глазах эти электроны из царства вещества и антивещества будут сталкиваться, аннигилировать и снова создавать гамма-фотоны. Увеличьте энергию света еще в 2000 раз, и вот уже получились гамма-лучи, энергии которых хватит, чтобы превратить впечатлительного человека в Халка. Однако теперь у пар этих фотонов хватает энергии и на то, чтобы спонтанно создавать более массивные нейтроны, протоны и их античастицы.

Высокоэнергичные фотоны где попало не слоняются. Однако места их обитания лежат вовсе не в воображаемом мире. Гамма-лучам подходит любая обстановка, лишь бы температура там была выше нескольких миллиардов градусов.