Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

Помимо нейтронных звезд, незавидная участь ждет и более крупные звезды. Подобно тому как электроны могут приблизиться к скорости света в случае белых карликов, нейтроны в нейтронной звезде могут столкнуться с ограничением, наложенным на них Эйнштейном. Когда это происходит, ни одна известная сила не способна предотвратить полный коллапс звезды – и она обречена на превращение в черную дыру. В настоящее время нам не хватает знаний о физике пространства и времени внутри черных дыр. Как мы увидим в последней главе, присутствие массы приводит к искривлению пространства-времени и его отклонению от модели пространства-времени Минковского, с которой мы уже хорошо знакомы. В черной дыре происходит настолько сильное искривление пространства-времени, что даже свет не может вырваться из ее когтей. В такой экстремальной среде известные нам законы физики перестают действовать. Найти дальнейший путь – это одна из величайших задач, стоящих перед наукой XXI столетия, поскольку только тогда можно будет закончить историю о звездах.

Открытие формулы E = mc ² стало переломным моментом в представлениях физиков об энергии, поскольку этот закон помог понять, что существует огромный запас потенциальной энергии, которая замкнута внутри самой массы. Этот запас энергии гораздо больше, чем кто бы то ни было может себе представить: заключенная в массе протона энергия почти в миллиард раз превышает высвобождаемую в процессе обычной химической реакции. На первый взгляд может показаться, что мы нашли решение энергетических проблем нашей планеты, причем вполне действенное в долгосрочной перспективе. Однако в этой бочке меда есть ложка дегтя, и довольно большая: полное разрушение массы сопряжено с серьезными трудностями. В случае атомной электростанции, использующей принцип ядерного распада, разрушается совсем незначительная часть исходного топлива. Остальная часть топлива превращается в более легкие элементы, часть которых может представлять собой в высшей степени токсичные отходы. Даже в недрах Солнца процесс ядерного синтеза протекает крайне неэффективно с точки зрения преобразования массы в энергию, и происходит это не только потому, что доля превращаемой массы очень мала: у любого отдельного взятого протона крайне мало шансов вступить в синтез, поскольку первый шаг процесса превращения протона в нейтрон – весьма редкое событие. На самом деле это бывает настолько редко, что требуется в среднем около 5 миллиардов лет, чтобы в сердце звезды произошло слияние одного протона с другим, что приводит к образованию дейтрона и запускает процесс выделения энергии. Фактически это вообще было бы исключено, если бы на таких малых расстояниях не доминировала квантовая теория: согласно доквантовой картине мира Солнце просто недостаточно горячее для того, чтобы в нужной степени приблизить протоны для их слияния. Для этого его температура должна быть примерно в тысячу раз выше и составлять 10 миллионов градусов. Когда в 1920 году британский физик сэр Артур Эддингтон [43]впервые выдвинул предположение, что такое слияние может являться источником энергии Солнца, ему сразу же указали на наличие потенциальной проблемы в его теории. Тем не менее Эддингтон был твердо убежден, что превращение водорода в гелий посредством ядерного синтеза и есть источник энергии Солнца, а также что решение загадки с низкой температурой скоро будет найдено. «Гелий, с которым мы имеем дело, должен образоваться в какое-то время в каком-то месте, – сказал он. – Мы не спорим с критиком, утверждающим, что звезды недостаточно горячие для этого процесса, а предлагаем ему поискать более горячее место».

Превращение протонов в нейтроны – настолько неэффективный процесс, что в расчете на килограмм массы Солнце в несколько тысяч раз менее результативно превращает массу в энергию, чем организм человека. Один килограмм вещества Солнца генерирует в среднем всего 1/5000 ватт энергии, тогда как человеческий организм – как правило, немногим более одного ватта на килограмм веса. Безусловно, Солнце очень большое, что с лихвой компенсирует его относительную неэффективность [44].

В этой книге мы постоянно подчеркиваем тот факт, что Вселенная живет по определенным законам. Следовательно, не стоит приходить в слишком большой восторг по поводу уравнения, которое (как в случае уравнения E = mc ²) говорит нам, что могло бы произойти. Существует огромная разница между нашим воображением и реальным ходом событий. И хотя возможности, которые открывает уравнение E = mc ², приводят нас в сильное возбуждение, мы все же должны понимать, как именно законы физики делают возможным процесс разрушения массы и выделения энергии. Безусловно, из этого уравнения не вытекает логический вывод о том, что мы имеем право превращать массу в энергию по своему усмотрению.