Почему Е=mc² и почему это должно нас волновать?

Она поможет понять теорию относительности Эйнштейна и проникнуть в смысл самого известного в мире уравнения. И в конце концов увидеть: наука — не такая уж сложная штука. Наука — это возможность устранить все наши предрассудки, чтобы мы могли видеть Вселенную такой, какая она есть.

Книга, бросающая вызов

У каждого из нас свои, интуитивные представления об устройстве Вселенной, основанные на повседневном опыте. Но природа противоречит нашей интуиции. Эта книга поможет взглянуть на мир объективно.

Например, вы узнаете, что при высоких скоростях понятия о пространстве и времени, основанные на здравом смысле, становятся непригодными и должны быть заменены чем-то новым, неожиданным и красивым. Этот урок вызывает у многих чувство благоговения: Вселенная гораздо богаче, чем можно себе представить исходя из повседневного опыта.

Построив модель пространства и времени, Эйнштейн проложил путь к пониманию того, как загораются и светят звёзды, почему ядерная энергия эффективнее нефти и что заставляет Землю вращаться вокруг Солнца.

Это фундамент современной физики, без которого не было бы Большого адронного коллайдера и теории о частицах Хиггса.

Парадоксы времени

Замедление и ускорение времени в зависимости от скорости — давно доказанный и не вызывающий сомнения закон мироздания. Оказывается, он уже несколько лет учитывается и работает в нашей повседневной жизни. А именно: в системе GPS.

Дело в том, что спутники на орбите находятся в слабом гравитационном поле и движутся с гораздо более высокими скоростями, чем объекты на земной поверхности. Из-за этого время для них идёт быстрее. Чтобы достигать максимальной точности в определении расстояний с помощью наших навигаторов, внутренние часы спутников настроены с отставанием на 38 микросекунд в день.

Земля и Луна

Луна за год удаляется от Земли на четыре сантиметра. Почему? Луна находится над поверхностью вращающейся Земли, а вода в океанах выгибается в сторону Луны под действием её гравитации. Земля под этой дугой вращается со скоростью один оборот в сутки. Это и есть причина океанских приливов и отливов. Трение между водой и поверхностью Земли вызывает замедление скорости её вращения. Этот эффект невелик, но поддаётся измерению.

Сутки на Земле увеличиваются примерно на пятисотую долю секунды за 100 лет.

Но равновесие в системе Земля-Луна должно сохраняться — это закон природы. Поэтому, чтобы компенсировать замедление Земли, на своей орбите вынуждена ускоряться Луна. А это, в свою очередь, приводит к удалению Луны от Земли. Это фантастический и одновременно совершенно реальный факт.

Энергия и масса

Эйнштейн вывел формулу Е=mc². Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Задумайтесь на минуту над этим соотношением, и оно покажется вам донельзя странным.

Наверное, наиболее знакомый нам вид энергии — энергия движения. Если кто-то бросит в вас футбольный мяч и попадёт в лицо, вы прекрасно ощутите эту энергию в виде боли. Физик может сказать, что бросающий передал энергию мячу и она оказалась передана вашему лицу, остановившему мяч. Масса — это мера количества материи, содержащейся в объекте. Футбольный мяч массивнее теннисного, но менее массивен, чем булыжник или целая планета.

Уравнение E = mc² говорит о том, что понятия массы и энергии взаимозаменяемы, как, например, доллар и евро, а квадрат скорости света представляет собой обменный курс.

Превращение массы в энергию — не такой уж необычный процесс. Он происходит постоянно. Когда вы отдыхаете у потрескивающего камина, впитывая тепло от горящих углей, это тепло отнимает энергию у угля. Масса новой батарейки больше массы отработанной; масса термоса с горячим кофе больше массы термоса с холодным.

Материя состоит из… пустоты

Иллюзию того, что такие твёрдые вещи, как столы и стулья, на самом деле твёрдые, поддерживает электромагнитное взаимодействие. На самом деле материя — это главным образом пустое пространство. Представьте себе, что вы увеличили атом настолько, что его ядро стало размером с горошину. В таком случае электроны были бы песчинками, с высокой скоростью вращающимися вокруг ядра на расстоянии в один километр, а всё остальное — пустота.

Твёрдость возникает, когда мы пытаемся протолкнуть облако вращающихся вокруг ядра электронов через облако электронов соседнего атома. Поскольку электроны имеют электрический заряд, эти облака отталкиваются и не дают атомам пройти сквозь друг друга, хотя они и представляют собой в основном пустое пространство.

Мысль о пустоте материи возникает, когда мы смотрим через окно. Хотя оконное стекло кажется твёрдым, свет без труда проходит сквозь него, позволяя нам увидеть окружающий мир. В каком-то смысле удивительно другое: почему непрозрачен брусок дерева!

Бабочки, звёзды и элементарные частицы

Какие еще удивительные факты в самых разных областях человеческих знаний можно узнать из книги?

 — что весит больше — коробка с летающими бабочками или спящими?
 — почему мы различаем цвета и откуда они берутся?
 — что сильнее вырабатывает энергию — Солнце или человеческий организм?
 — как поймать неуловимую частицу?
 — правда ли, что по орбите между Землёй и Марсом движется маленький фарфоровый чайник?

Чудеса окружают нас со всех сторон, и если мы готовы их увидеть и осознать, перед нами откроются безграничные возможности.

По материалам книги «Почему E=mc²?» (Брайан Кокс и Джефф Форшоу).