масса - это масса, а энергия - это уже совсем другое.
В физике понятия "масса" и "энергия" мирно жили бок о бок, часто встречались, но проходили мимо, словно бы не замечая друг друга.
Одной из святынь физики является закон сохранения энергии. То же можно было сказать (материя не может исчезать, проваливаться в никуда!) и про закон сохранения массы.
Это мирное житие массы и энергии было (1906) увенчано торжественной свадьбой. Организовал ее А. Эйнштейн. Он опубликовал статью, где показал, что энергия (Е) и масса покоящегося тела (т) связаны простым соотношением: Е = m х с^2, где с - скорость света в вакууме.
Так масса и энергия оказались повенчанными, вступили в вечный и нерасторжимый брак.
Соотношение Эйнштейна было воспринято ученым миром без всякого сопротивления. Совсем не так отнеслись к другим его идеям. Например, к идее о квантах света - фотонах.
Фотон вначале был "изобретен" А. Эйнштейном чисто теоретически (1905 год). Мысль о дискретной структуре излучения была столь дерзкой, что даже самый отчаянный из отчаянных - Н. Бор отказался ее признать. (Напомним, что квантовой механики, которую Н. Бор - в 1920 году на средства крупнейшего датского пивовара он основал в Копенгагене Институт теоретической физики, ставший Меккой для ученых многих стран, - и другие теоретики позднее создали, тогда еще не существовало.)
Резко критиковали идею световых порций-квантов и такие корифеи тогдашней физики, как М. Планк (он открыл в 1900 году квант действия, что стало "прелюдией"
к возникновению квантовомеханических представлений) и X. Лоренц.
Тут уместно вспомнить такой эпизод. В 1911 году видные немецкие ученые рекомендовали избрать 34-летнего Л. Эйнштейна действительным членом Прусской академии наук. В характеристике-представлении ученых были такие слова: "...вряд ли имеется хоть одна из больших проблем, коими столь богата современная физика, в которую Эйнштейн не внес значительного вклада. И если кое-что в его спекуляциях могло пройти мимо цели, как, например, его гипотеза о световых квантах, то это не может быть поставлено ему в вину, ибо, выдвигая новые идеи, особенно в наиболее точных науках, невозможно не идти на некоторый риск".
Вот так-то! Лишь появление квантовой механики "реабилитировало" А. Эйнштейна. Но этой науке он сам позднее объявил непримиримую войну.
А в 1951 году ученый с грустью констатировал: "Все эти пятьдесят лет упорных размышлений не приблизили меня к ответу, что такое световые кванты. Конечно, сегодня каждый думает, что он знает ответ, но он обманывает себя".
Какая ирония научной судьбы!..
Фотон утвердился в физике с боями, но с законом Е = mс^2 никаких трудностей не было. Все ныне знают:
при взрыве атомной бомбы масса преобразуется в энергию. Но особенно популярна идея антивещества.
Оно (антивещество) стало реальностью: в нашей стране на Серпуховском ускорителе был получен антигелий - не позитроны или какие-то другие микроантичастицы, а уже довольно сложный химический элемент.
Известно, что при соединении вещества с антивеществом масса переходит в энергию (процесс аннигиляции).
В научно-популярных статьях, научно-фантастических рассказах и романах уже неоднократно обсуждались эти факты науки. Возможно, и вправду в будущем антивещество удастся использовать в качестве концентрированного топлива в космосе. Но прежде, конечно, придется преодолеть многие трудности: хранение, транспортировка антивещества и т. д.
То, что масса может превращаться в энергию, известно широко. Меньше знают об обратном процессе: о создании массы из энергии.
Человек в день потребляет с пищей 2500 больших калорий энергии. Если бы он все эти калории пустил на создание всего лишь одного грамма вещества, ему пришлось бы ждать (и жить!) приблизительно 20 тысяч лет!
О том же по-другому: примерно 30 миллионов литров бензина пришлось бы сжечь, чтобы создать все тот же грамм вещества: так океан энергии превращается в ручеек массы! (А причина та, что фигурирующая в приведенной формуле скорость света - величина настолько грандиозная, что при обратном процессе даже из крох массы получаются моря энергии.)
Но есть область науки, где получение из энергии вещества - обычное, рядовое явление. Это ускорители.
Здесь фокусы с возникновением всевозможных частиц давно уже никого не удивляют. И здесь можно добиться даже более эффектных трюков. Скажем, встретить сидящего в кастрюле... слона! Нелепица?
Вспомним про "ядерную демократию". Там утверждалось: любая частица содержит в себе весь остальной мир, а значит, и элементарные частицы, более тяжелые, чем "материнская". И следовательно, эти тяжеловесы (слоны!) действительно должны сидеть внутри частицы-легковеса (в кастрюле!).
Простая логика, но уже не житейская, а научная.
А с наукой спорить - только время терять.
"Все так, - заметит Иван Иванович Иванов, этот эталон здравого смысла! - Но ведь все это звучит по меньшей мере дико. Это похоже на сообщение о том, что некто, гуляя в подмосковном лесу, встретил майского жука величиной с Ту-154. Или, если быть более точным, ваше, физик, утверждение равносильно такой информации: на энском заводе авиаконструкторы из трех самолетов, без потерь материала, сконструировали и собрали одного обыкновенного (не гигантского) майского жука!"
"Да, именно нечто подобное имеется в виду, - следует хладнокровный ответ физика, с тем только добавлением, что события эти происходят в микромире..."
В сказке Ш. Перро "Кот в сапогах" (помните?) великан превратился в мышку и тут же был съеден котом.
Если бы мы так же могли сократиться в размерах и превратились в Homo hadronicus - крохотные существа, которым по плечу сильные взаимодействия, - то, будьте уверены, повидали бы немало чудес.
Разрезая адронный хлеб адронным ножом, мы получали бы горбушки, которые были бы тяжелее самих буханок. И каждый откусанный от ломтя кусок был бы весомее этого ломтя.
И мы бы, как пошутил один физик, с удовлетворением наблюдали бы такое: как бокал вина адронеули или адрукузани, разлитый по бокалам всей честной компании, наполнил бы их до венчика.
И ничего особо чудесного не представлял бы для нас и великан джинн, квартирующий в бутылке. И вообще слова "полез в бутылку" перестали бы быть только фигуральными...
Дефект масс
Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет точно в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины и снова получим яблоко. Но не может такого быть, чтобы две половинки весили больше целого яблока.
В макромире, согласимся, такого действительно быть не может, а пот в мирз элементарных частиц... Разнимая вещество на все более мелкие части, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось:
масса целой частицы всегда меньше суммы масс частиц, ее составляющих, явление это получило название "дефект масс".
Понять этот очередной парадокс природы можно так.
Возьмем килограмм картофеля. Мы точно уверены:
полная масса пакета складывается из масс отдельных картофелин. Каждую из них можно легко отделить от других.
А теперь допустим, что картофелины сильно сцеплены друг с другом (как бы склеены невидимым клеем!). Тут уже приходится затратить энергию, чтобы картофелины растащить. Но по формуле Эйнштейна эта, как и всякая энергия, эквивалентна массе. И получается: каждая из отторгнутых от кучи картофелин должна теперь стать более массивной!
И никакого при этом нарушения закона сохранения
энергии. Дефект масс просто восполняет выделение (если позволить картофелинам вновь "слипнуться") соответствующего количества энергии, и все получается, так сказать, баш на баш.
Пример с картофелем может показаться натяжкой.
Однако даже при горении обычных дров уже можно уверенно говорить о дефекте масс. Нетрудно строго показать, что тут суммарная масса продуктов реакции чуточку меньше, чем масса дров и кислорода воздуха. И эта разница в массе трансформируется в тепло - кинетическую энергию продуктов горения.
Но, конечно, в макромире дефект масс проявляет себя крайне слабо. Здесь тела ломаются (рвутся, бьются, истираются, расщепляются) благодаря электромагнитным взаимодействиям. Колем ли мы дрова, взрываем ли скалу, делим ли в сосуде жидкость на равные части, грызем ли яблоко, рвем ли бумагу в клочья - всюду мы всего лишь разрываем хилые электромагнитные связи.
Их крайняя слабость и создает видимость того, что часть всегда обязана быть легче целого.
В микромире все не так. Если энергию, передаваемую в химических реакциях (электромагнитные силы), принять за единицу, то в ядерных реакциях ее выделяется в миллионы, а при пертурбациях элементарных частиц - в миллиарды раз больше.
Хороший пример дает термоядерный синтез, о котором в последние годы так много говорят и пишут. И неспроста: тут дефект масс столь значителен, что энергетики связывают с термоядерной энергией самые большие надежды.