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

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.

Еще на рубеже XIX — ХХ веков появилась теория, гласящая, что вся масса электрона создается его электромагнитным полем и ничем больше. Ее выдвинул английский физик Томсон. К единому мнению по данному вопросу физики так и не пришли, но учитывая, что вещество имеет двойственную, то есть и корпускулярную, и волновую природу, каждую частицу можно представить, как «полевой сгусток» или «полевой клубок», который может, проаннигилировав и потеряв массу при встрече с «антиклубком», «распуститься» в линейную нить летящего фотона.

Физические поля, друзья мои, это не кучевые облачка, окружающие заряженные частицы или предметы. Поля уходят в бесконечность и пронизывают всю вселенную. Мы живем в полях и колебаниях и сами во многом представляем собой поля и колебания. И даже там, в далеком космосе, в миллиардах и триллионах километров от любого вещества, где, казалось бы, и нет ничего, все равно что-то есть.

Что?

Физический вакуум. Обычно под словом «вакуум» понимают пустоту, так сказать, «чистое пространство», в котором нет ни веществ, ни полей. Но еще древние греки смутно догадывались, что «природа боится пустоты».

— Natura abhorret vacuum! — восклицали римляне вслед за греческим философом Аристотелем.

И смутные догадки древних философов квантовая физика подтвердила. По современным представлениям, пустоты действительно нет, а вакуум представляет собой вырожденную материю на нулевых энергетических уровнях. В этой «пустоте», то есть в физическом вакууме, все время происходят околонулевые колебания поля и вещества, поэтому прямо из пустоты на короткие мгновения рождаются и тут же схлопываются виртуальные пары «частица-античастица». Разрешает им рождаться принцип неопределенности. А чтобы при этом не нарушался закон сохранения массы-энергии, частицы, едва проклюнувшись из небытия, тут же снова ныряют обратно в ничто. Иначе получится, что вещество берется из ниоткуда!

Но если пары частица-античастица образуются на такой короткий срок, что их невозможно засечь никаким прибором, как проверить, происходит ли это? Есть несколько способов.

Во-первых, в момент появления их можно успеть растащить, приложив мощное внешнее поле. Чего проще: поставим две параллельные металлические пластины в вакууме, подадим на них мощный электрический потенциал — на одну «+», на другую «-». Тогда частицы, возникнув из небытия, не успеют схлопнуться обратно, а будут ухвачены «за волосы» собственного поля внешним полем и растащены. Но никакого нарушения законов сохранения при этом уже не произойдет, ведь мы заплатили деньги, подключили прибор к розетке, потратили энергию, в результате чего получили из нами же организованного внешнего поля новую массу. Все по-честному.

Во-вторых, существует так называемый эффект Казимира. Снова берем и ставим в вакууме две параллельные пластины на микронном расстоянии друг от друга. И замечаем, что они начинают притягиваться друг к другу чуть больше, чем им положено в соответствии с законом всемирного тяготения. Почему? Из рисунка ниже и подписи к нему становится ясно, почему.

Эффект Казимира. И между пластинами, и за ними вакуум «кипит» постоянно возникающими частицами и квантами полей. Но внутри пластин возможно возникновение ограниченного количества квантов — только таких, у которых между пластинами укладывалось целое число волн, а остальные там «не помещаются». А вот вне зазора возникают кванты любых частот, их там ничто не ограничивает. Значит, снаружи их вспыхивает больше и снаружи квантовое давление, соответственно, сильнее.

Наконец, третье доказательство «кипения» вакуума. В физическом вакууме все время возникают и исчезают виртуальными парами протоны и антипротоны, электроны и позитроны. А они ведь имеют свой заряд! И этот заряд из-за постоянного «кипения вакуума» постоянно присутствует вокруг реальных частиц и с ними взаимодействует, как бы экранируя реальные частицы от внешнего наблюдателя. Так вот, эта экранировка физиками была засечена приборно. Таким образом, будучи не в силах поймать сами виртуальные частицы, они засекли их наличие по косвенным признакам. Разве плохо?