Если вы всегда мечтали разобраться в физике, уловить смысл знаменитой формулы Эйнштейна E=mc² и понять самые странные законы Вселенной, то теперь у вас есть такая возможность. В нашей новой книге вы найдете простые объяснения важнейших научных теорий о времени и пространстве, гравитации и скорости света, массе и энергии. Готовьтесь к тому, что ваше представление о мироустройстве изменится раз и навсегда. А сейчас — несколько занимательных отрывков.
Эластичность времени и пространства на практике
Для движущегося объекта время замедляется, а пространство сжимается (однако этот эффект будет заметен только при очень большой скорости). К такому интересному теоретическому выводу пришел Эйнштейн еще в начале XX века.
Эта теория была проверена на практике во второй половине 1990-х годов с помощью синхротрона в Брукхейвенской национальной лаборатории. Ученые создали устройство, которое генерировало пучок мюонов, движущийся по кольцу диаметром 14 метров со скоростью, составляющей 99,94% от скорости света. Мюоны — это частицы, во многом идентичные электронам, только более тяжелые. Живут они всего 2,2 микросекунды.
При такой продолжительности жизни мюоны, двигаясь по кругу, должны успевать сделать 15 оборотов до своего распада. В действительности они делали более 400 оборотов, что означает увеличение продолжительности жизни в 29 раз — до 60 микросекунд. Это факт, установленный в ходе эксперимента.
Тот самый синхротрон. Источник
Разумеется, в конце 90-х годов ХХ столетия теория Эйнштейна уже получила всеобщее признание. Ученых интересовали другие свойства мюонов, и увеличение продолжительности их жизни оказалось просто бонусом, позволившим наблюдать за мюонами в 29 раз дольше.
Итак, мы должны сделать вывод об эластичности времени, поскольку об этом говорят результаты эксперимента. Скорость течения времени меняется от человека к человеку (или от мюона к мюону) в зависимости от скорости их движения.
Но мы кое-что упустили (как будто нам мало странного поведения времени). Вернемся к мюонам, быстро движущимся в ускорителе. Давайте разместим в кольце небольшую финишную черту и подсчитаем, сколько раз мюоны пересекут ее, прежде чем погибнуть. С точки зрения стороннего наблюдателя они пересекут ее 400 раз. А с точки зрения движущегося мюона? Тоже 400, в противном случае все это было бы полной бессмыслицей.
Проблема в том, что если бы мы двигались вместе с мюонами, то, согласно нашим наблюдениям, их жизнь составляла бы всего 2,2 микросекунды. Тем не менее за этот короткий срок мюоны должны успеть сделать более 400 оборотов в ускорителе. Так что же происходит? 400 оборотов за 2,2 микросекунды кажутся совершенно невозможными.
К счастью, из этой ситуации есть выход: можно представить, что в восприятии мюона кольцо становится меньше. Чтобы быть полностью последовательными, длина кольца, которую определили вы с мюоном, должна уменьшиться ровно настолько, насколько, с точки зрения стороннего наблюдателя, увеличилась продолжительность жизни мюона.
Получается, что изменчиво не только время, но и пространство! Как и замедление времени, это реальный эффект, а не иллюзия.
Как Эйнштейн нас спасет
Открытие, что течение времени может замедляться, а расстояние — сжиматься, выглядит достаточно странным даже по отношению к субатомным частицам, но рассуждения Эйнштейна применимы в равной мере и к объектам размером с человека.
Однажды нам даже, быть может, придется положиться на это необычное явление ради выживания. Представьте себе жизнь на Земле в далеком будущем. Через несколько миллиардов лет Солнце уже не только не будет стабильным источником света, поддерживающим жизнь на нашей планете, но и превратится в непредсказуемого клокочущего монстра, который может поглотить Землю в своей агонии.
Если человечество не погибнет гораздо раньше по иной причине, ему придется покинуть дом предков и искать счастья среди звезд. Млечный Путь, наш местный спиральный остров в космосе, состоит из сотни миллиардов звезд и имеет 100 тысяч световых лет в диаметре. Это означает, что свету требуется 100 тысяч лет, чтобы пересечь галактику, — с точки зрения наблюдателя на Земле.
Может показаться, что распространение человечества в пределах Млечного Пути всегда будет ограничено лишь крошечной частью звезд, расположенных неподалеку (по астрономическим масштабам) от нашего дома, так как вряд ли можно ожидать путешествия в удаленные уголки галактики, куда сам свет добирается только за 100 тысяч лет. Но нас спасет Эйнштейн.
Возможно, когда-нибудь люди долетят до другой галактики. Источник
Если бы мы могли построить космический корабль, который бы развивал скорость, близкую к скорости света, то расстояние до звезд сократилось бы, причем тем сильнее, чем ближе скорость корабля будет к скорости света. Если мы достигнем скорости в 99,99999999% от скорости света, то сможем пролететь весь Млечный Путь и даже путь до ближайшей галактики (туманности Андромеды, находящейся почти в 3 миллионах световых лет от нас) за каких-то 50 лет.
Правда, это очень сложная задача, особенно с точки зрения мощности двигателей корабля, необходимой для такого разгона, но главное в том, что искривление пространства и времени позволяет путешествовать в отдаленные части Вселенной за реально воспринимаемое время.
Если бы вы входили в состав первой экспедиции к туманности Андромеды, до которой добрались бы за 50 лет, то ваши дети, рожденные в космосе, могли бы захотеть вернуться в мир своих родителей, чтобы взглянуть на Землю собственными глазами. Если бы вы развернули корабль и вернулись за 50 лет на околоземную орбиту, вся продолжительность экспедиции составила бы 100 лет. Но за это время для обитателей Земли прошло бы шокирующих 6 миллионов лет. Эйнштейн открыл нам глаза на очень странный и удивительный мир.
Масса и энергия
До Эйнштейна никто даже не мечтал разрушить массу и преобразовать ее в энергию, поскольку считалось, что масса и энергия совершенно не связаны друг с другом. После Эйнштейна всем пришлось признать тот факт, что масса и энергия — разные проявления одной и той же сущности. Они взаимозаменяемы, а количество энергии, которую можно извлечь из массы m, находящейся в состоянии покоя, определяется уравнением E = mc² .
Эйнштейн заложил фундамент, на котором зиждется вся современная физика. Источник
Как видим, энергия, связанная с определенной массой, рассчитывается по формуле, один из элементов которой представляет собой квадрат скорости света. Так как скорость света огромна, нет ничего удивительного в том, что даже в достаточно малой массе заключена невероятно большая энергия. Если бы мы нашли способ получить прямой доступ к ней, то какие же огромные запасы энергии были бы у нас в буквальном смысле под ногами!
Нам достаточно было бы разрушать всего один микрограмм вещества каждую секунду, чтобы обеспечить электроэнергией целый город. В одном столетии 3 миллиарда секунд, значит, нам понадобилось бы три килограмма вещества для того, чтобы питать город электроэнергией на протяжении сотни лет. Одно можно сказать совершенно точно: масштаб энергетического потенциала, который заключен в материи, отличается от всего того, к чему мы привыкли, и способность высвобождать эту энергию позволила бы нам решить все энергетические проблемы планеты.
Людям понадобилось почти полстолетия после открытий Эйнштейна, прежде чем они нашли способ извлекать из вещества значительное количество энергии массы; такое разрушение массы используется сейчас в атомных электростанциях.
Больше захватывающих идей вы найдете в книге «Почему E = mc²?».
P.S.: Подписывайтесь на нашу рассылку. Раз в две недели будем присылать 10 самых интересных и полезных материалов из блога МИФ
