Время, энергия и красота. Что же особенного в скорости света?

Время, энергия и красота

       [49]         

Некоторые относятся к энергии как к настолько же таинственному понятию, что и время. Самым удивительным и самым полезным свойством энергии, хотя и не таким уж очевидным, можно считать то, что она сохраняется. Что это означает? Если сохраняется и без нашего вмешательства, то почему экологи столько кричат о необходимости сохранения энергии? Судя по всему, этим они призывают нас минимизировать энтропию в природе. Мы подробнее поговорим об энтропии в части II. И все же не нужно пытаться сохранять энергию. Она сохраняется автоматически, сама по себе.

Взаимосвязь между временем и энергией очень глубока. Впервые она была раскрыта Эмми Нётер[50], которую Эйнштейн считал одним из самых значительных и креативных математиков всех времен. Нётер показала, что в классической физике нет необходимости постулировать сохранение энергии и что для любого из видов уравнений (механических, электрических, квантовых) есть принцип, который может быть использован для доказательства сохранности энергии. Это принцип временной инвариантности.

Говоря простым языком, теория инвариантности означает, что законы физики не меняются со временем. В классической физике F = ma, и это уравнение так же верно сегодня, как и вчера. Теорема Нётер[51] показала: если вы признаете инвариантность времени, всегда будут показатели, которые рассчитываются на основе теории (масса, скорость, местоположение, поле) и никогда не изменятся. В классической физике теория инвариантности подразумевает ньютоновское сохранение энергии как сумму энергии кинетической и потенциальной. Подход Нётер прояснил определение энергии в любом новом наборе уравнений, например относящихся к теории относительности. Я говорю об Эмми Нётер и ее замечательных умозаключениях в Приложении 2.

Связь между временем и энергией даже еще более глубокая. В результате работы Нётер мы понимаем, почему время и энергия появляются в квантовой физике вместе. Как я более детально расскажу в части III, именно такое понимание этой взаимосвязи позволило Ричарду Фейнману представить антивещество как вещество, двигающееся во времени в обратном направлении.

Такие глубокие ассоциации, которые связывают два понятия (времени и энергии), кажущиеся совсем не связанными друг с другом, представляют собой то, что физики называют «красотой» физической науки. Необязательно соглашаться с тем, что эти взаимосвязи суть воплощение красоты. Вы можете считать, что солнечная радуга или глаза ребенка волнуют вас гораздо больше. Но этот пример, во всяком случае, может показать, что об этом думают физики.

Что же особенного в скорости света?

Когда я был подростком и прочитал о теории относительности (в замечательной книге Георгия Гамова[52] One Two Three… Infinity («Один, два, три… бесконечность»), то задал себе вопрос: «Что особенного в свете, если обозначение его скорости с [53] присутствует во всех основных уравнениях, связанных с релятивизмом? Разве свет – это более фундаментальное явление, чем, скажем, электрон? »

Когда я начал изучать физику, сначала в старшей школе, потом в колледже и докторантуре, а затем и всю оставшуюся жизнь, понял: свет просто оказался тем первым явлением, которое обладало совершенно особенным качеством – нулевой массой покоя, то есть тем, что записывается в уравнениях как m. (Релятивистская масса обозначается γ m. ) Теперь мы знаем и о других таких частицах. Гравитационные волны, которые состоят из гипотетических частиц, называемых гравитонами, тоже обладают нулевой массой покоя (или нулевой массой поля) и движутся со скоростью света. То есть уравнения в теории относительности мы могли бы записать и без включения в них скорости света, а использовать для этого скорость гравитонов. Тогда буква с в уравнении обозначала бы их скорость. Такая частица, как нейтрино, тоже не имеет массы покоя. Ее можно называть безмассовым нейтрино. Тогда с обозначала бы скорость безмассового нейтрино.

Лучше всего было бы назвать с эйнштейновой скоростью. Ее можно было бы обозначить и как предельную скорость, то есть максимальную, которую способна развить масса. Тогда она существовала бы независимо от фотонов, действительно движущихся со скоростью света. По теории относительности, все лишенные массы частицы передвигаются с эйнштейновой скоростью. Именно она имеет фундаментальное значение. Фотоны, гравитоны и безмассовые нейтрино (если они существуют) имеют скорость света. Мы также считаем, что на ранних этапах существования Вселенной, еще до того, как образовалось так называемое поле Хиггса, все частицы (включая электроны и составные части протона, или кварки) были безмассовыми и двигались с эйнштейновой скоростью, то есть со скоростью света.

Парадоксальность нулевой массы покоя фотонов или других безмассовых частиц состоит в том, что привести их в состояние покоя, то есть остановить, невозможно. У них нулевая энергия (гамма‑ фактор составляет 1, а m – 0, так что энергия также будет равна нулю: E = γ mc ² = 0). Поэтому такая частица не будет существовать в состоянии покоя. Если мы, например, попытаемся привести свет в состояние покоя за счет поглощения его черной поверхностью, он отдаст всю энергию, нагревая эту поверхность, и света больше не будет.