Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Самая большая водородная бомба, когда-либо взорванная человечеством, имела мощность в 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, то есть для взрыва такой же силы потребовалось бы 50 миллионов тонн обычной взрывчатки (тротила) – это миллион грузовых вагонов по 50 тонн каждый, что превышает мощность всей взрывчатки, использованной во Второй мировой войне. При этом сама водородная бомба весила всего 27 тонн, а действующего вещества (дейтерия) в ней было всего-то несколько тонн, все остальное – вспомогательное оборудование. А вот если бы могли осуществить взрыв такой мощности при помощи антивещества, потребовались бы уже не тонны, а всего 1 кг антивещества и 1 кг вещества.

Вот только взять его негде, это антивещество, его очень мало в нашей Вселенной. Ученым на ускорителях удается получать буквально считаное количество этих античастиц. И однажды, кстати, удалось даже собрать из них атом антиводорода. Что такое водород, мы знаем – это один протон, вокруг которого вращается один электрон, самое простое вещество. А антиводород – это антипротон, вокруг которого вращается позитрон. У обычного водорода плюсовой заряд в центре атома, а «минус» болтается вокруг, а у антиводорода все наоборот. Антивещество!

Водород и антиводород

Кстати, вас не удивил тот факт, что масса может исчезать, превращаясь в чистый свет (излучение)? Ведь на самом деле это поразительно, если вдуматься! Нас с самого детства окружают тела, имеющие массу, мы так привыкли к проявлению массивности, что сама мысль о том, будто масса может попросту исчезать, кажется дикой. Тем более, что у самих физиков есть закон сохранения массы, который дети проходят в начальной школе! Это что же, один из главных физических законов нарушается, что ли?

Нет, не нарушается. Ведь масса не исчезает бесследно.

Дело в том, что, строго говоря, масса и энергия – это одно и то же. Масса – это как бы «сгущенная энергия», и правильнее закон сохранения массы и закон сохранения энергии было бы назвать законом сохранения массы-энергии, потому что масса никуда бесследно не исчезает, но может переходить в энергию, и наоборот (равно как и разные формы энергии могут переходить друг в друга – механическая в электрическую, электрическая в тепловую и т. д.)

Эквивалентность массы и энергии показал еще Эйнштейн, написав свою знаменитую формулу, связывающую массу с энергией через скорость света. Приводить эту простенькую формулу, хоть и велик соблазн, я тут не буду, ибо дал себе страшную клятву написать книгу о физике без единой формулы. С другой стороны, кто мне помешает разместить тут картинку? Таким образом я хитро вывернусь, не нарушив данного самому себе слова.

Формула Эйнштейна, связывающая массу с энергией, настолько популярна в народе, что ее часто рисуют даже на футболках и кружках. Здесь Е – это энергия, m – масса, а с – скорость света в квадрате.

В общем, если верить майкам и кружкам, любую энергию можно выразить в килограммах, а любую массу – в единицах энергии (джоулях) с помощью простого коэффициента с2. Хотя с налету понять сие непросто: в самом деле, ну как такое может быть, что масса и энергия – одно и то же? Уму непостижимо!

Чем массивнее тело, тем труднее его стронуть с места, разогнать или поднять. Еще масса имеет гравитационное свойство – она может притягивать к себе другие гравитирующие массы. А энергия – это нечто эфемерное, теоретическое. Некое свойство или способность тела совершать работу. Мы это уже разбирали: поднял гирю в часах – запас ей потенциальную энергию для движения стрелок, разогнал пулю – придал ей кинетическую энергию, теперь она может пробить доску. Наконец, энергией в физике называют и просто кванты электромагнитного излучения. Вот именно в эти безмассовые кванты и превращается масса при некоторых реакциях.

Тут некоторые добрые люди могут сказать, почесав затылок:

– Ну, тогда получается, что энергия энергии рознь, не надо путать. Кинетическая энергия – это просто формальная абстракция. Скорость тела подставляется в формулу, и получается на бумажке некое число, которое мы называем энергией. В реальности никакой энергии нет, есть только скорость тела. Да и та – величина очень относительная, весьма формальная. Если вы едете в электричке, то ваша скорость относительно земли равна скорости электрички, и у вас тогда довольно большая кинетическая энергия. А относительно вагона вы вообще не двигаетесь, а просто сидите на лавке, стало быть, относительно вагона ваша кинетическая энергия равна нулю! А если учесть, что Земля с огромной скоростью несется вокруг Солнца, то относительно Солнца ваша кинетическая энергия вобще умопомрачительная! Но это всего лишь циферки на бумаге. А вот что касаемо излучения, то есть квантов электромагнитного поля, которые тоже иногда называют энергией – это всего лишь одна из форм существования материи – полевая. Просто в микромире вещество может превращаться в поле, а поле в вещество. Так что не надо нам тут говорить, будто реальное вещество превращается в энергию. Оно просто превращается в другую форму материи. А попробуйте превратить в реальную материю цифры на бумаге!..

Хорошие рассуждения. Глубоко человек копает. Уважаю. Вот только кинетическая энергия, которая зависит от скорости, очень даже может превращаться в реальную материю – и полевую, и вещественную, то есть и в излучение, и в массу.

Это все время происходит и в природе, и у физиков в ускорителях. Ускоритель – это огромная установка, которая с помощью электромагнитных полей разгоняет потоки заряженных частиц. И сталкивает их друг с другом. Идея ускорителей состояла в том, чтобы посмотреть, как устроены частицы, разбив их ударом друг о друга, как маленький мальчик разламывает игрушку с целью поглядеть, что у нее внутри. Однако в результате столкновения элементарные частицы не разваливаются на составные части, ибо не состоят из «деталек», а превращаются в другие частицы или рождают целые гроздья новых частиц. Откуда же они берутся? А из энергии! Из той самой, которую придали исходным частицам физики, разогнав их.

Так, например, если хорошенечко разогнать навстречу друг другу два протона, то при их столкновении сами исходные протоны никуда не деваются, а при ударе рождается еще целая гроздь разных частиц. Каких? Об этом чуть ниже, а сейчас обратите внимание на то, что рождаются они как бы из ничего. Но на самом деле не из ничего, а из «лишней» энергии этих исходных протонов, из чистой скорости.

Люди хитрые и хорошо знакомые с теорией относительности Эйнштейна, могут уточнить:

– Не из скорости, а из дополнительной массы, которую им придала скорость!

А людям, с теорией относительности не знакомым, нужно кое-что пояснить. Дело в том, что теория Эйнштейна утверждает: при росте скорости любого массивного тела его масса увеличивается. Это факт.

Масса покоящегося тела – минимальна. Фотон, например, так вообще не обладает массой покоя, поэтому и может летать, как ангел, со скоростью света, а остановиться не может. Но если тело имеет массу, то мы его никогда не сможем разогнать до скорости света, потому что его масса при приближении к скорости света будет стремиться к бесконечности.

При тех скоростях, с которыми мы имеем дело в земной реальности, рост массы совершенно незаметен, но при приближении к скорости света масса начинает расти очень быстро, стремясь к бесконечности. Поэтому даже легонький электрон невозможно разогнать до скорости света: для этого не хватит энергии всей вселенной, поскольку масса электрона превысит массу всей вселенной.

Очень красивый график, который показывает, что при приближении к скорости света масса тела вырастает в разы. Здесь м0 – это масса покоящегося электрона или любой другой частицы – хоть килограммовой гири

Небольшой отдельный блок об удивительной теории относительности вы можете прочитать ниже, а сейчас завершим разговор о массе-энергии и о частицах… Можно, конечно, сказать, что вещество в виде новых частиц рождается в ускорителях из «наросшей» массы сталкивающихся протонов, поскольку их разгоняют до скоростей, близких к скорости света, и масса частиц вырастает изрядно. Но это объяснение никак не противоречит сказанному ранее, ведь рост массы происходит как раз из-за набора скорости, то есть возникает из кинетической энергии разогнанных тел. Разгоняя частицы, мы накачиваем их энергией. Таким образом энергия непосредственно превращается в массу, а эксперимент воочию демонстрирует нам эквивалентность массы и энергии. Вот вам и формальная абстракция, вот вам и и «циферки на бумажке»!..

Можно пойти в рассуждениях и дальше. Вспомним магнит. Его окружает магнитное поле. Как далеко оно простирается? И может ли оно вообще на каком-то удалении от магнита резко «оборваться»? Нет, теоретически поле уходит в бесконечность, «истончаясь» до практического нуля, но никогда этого нуля не достигая. И вокруг электрона его электрическое поле тоже тянется в бесконечность. Можно сказать, что любой крохотулечка-электрон имеет габариты размером со всю вселенную. Или что он представляет собой «стоячую волну» с пиком электрического поля в точке собственного расположения, а полевые края этой остроконечной «шляпы» уходят в бесконечность.