Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье

хорошо отделенным от двух других частиц. Тут же вся наша «коллаборация» — команда, ответственная за эксперимент UA2, - переполнилась неким волнением. Был ли это уже Z 0? Но что тогда за дополнительный фотон? Может ли это событие быть признаком экзотической, новой и неожиданной частицы, такой как возбужденный электрон? Или это был «обычный» Z 0, распад которого сопровождался внутренним излучением, эффект, наблюдавшийся ранее и при распаде других частиц? Теперь нам требовалось рассчитать, какова вероятность того, что истинный Z0 может таким образом распадаться на электрон и позитрон с испусканием фотона?

Никто из нас не был сразу готов к такому вопросу и, более того, не имел на руках готового расчета. По общему признанию, квантовая теория поля позволяла рассчитать эту вероятность, но у нас тогда не было программ, которые мы имеем сегодня, которые могут произвести такой расчет почти автоматически. Нам оставалось сделать это самим. Расчет немного сложен, и он требует некоторой практики, чтобы быть уверенным, что ты не потерял нигде множитель 2 или п. Но один из нас (я или мой научный руководитель) вспомнил, что читал у Джексона что-то похожее на эту тему. Великий Джексон даже подчеркивал, что результат расчета является универсальным и не зависит от деталей процесса.

Адаптация расчета в книге Джексона к нашему случаю не заняла много времени. Самым муторным делом стал пресловутый перевод из одной системы единиц в другую. Результат поначалу получился довольно неожиданным: такого рода событие оказалось вполне возможным в нашем эксперименте с вероятностью наступления порядка нескольких процентов. Наиболее вероятной гипотезой было то, что мы действительно обнаружили наш первый Z0, но это сыграло с нами небольшую шутку. Через несколько дней появилось подтверждение этой вероятности, полученное с помощью методов квантовой теории поля, а затем в течение нескольких последующих месяцев мы наблюдали при эксперименте несколько простых и красивых событий с распадом бозона Z 0. Аналогичное подтверждение пришло и от конкурирующей коллаборации UA1. Наши труды не пропали даром: Нобелевская премия была присуждена руководителям двух экспериментов: Карло Руббиа и Симону Ван дер Мееру, однако это уже другая история.

Сам Джексон (умер в 2016 г.) был отличным физиком за пределами своей книги, но он так и не получил Нобелевской премии. И действительно, ничего из того, что он написал, нельзя было отнести к революции в физике. Тем не менее я думаю, что в этой книге проявился гений первоклассного мастера. Уравнения Максвелла — это золото, а Джексон был и остается их лучшим ювелиром.

Глава 9 Эквивалентность материи и энергии

E = mc2

Слева — энергия, справа — масса, умноженная на квадрат скорости света. Это уравнение постулирует эквивалентность между массой и энергией (позднее я постараюсь показать, что именно это означает) и стало одним из первых пробных камней теории относительности Эйнштейна. Теории, совершившей революцию в нашем понимании взаимоотношений материи, пространства и времени.

Между уважением и трепетом

Как случилось, что такое простое уравнение сделалось символом современной физики?

Существуют логические причины: личность первооткрывателя, его научная дальновидность, да и сам смысл теории относительности, произведшей научную революцию.

Однако, помимо столь важных и осязаемых причин, данное уравнение явилось символом нашего понимания возможности высвобождения той грозной энергии, которая проявляется в ядерных реакциях, и оно одним из своих первых практических последствий имело создание атомной бомбы.

Таким образом, E = mc2 наполняет нас уважением, смешанным с благоговением, очень похожим на страх перед божеством, указанным в Ветхом Завете. Контраст с популярным образом добродушного и почти комического Альберта Эйнштейна только усиливает наше чувство тревоги. Как мог этот доброжелательный и шутливый дед стать одним из пророков и апостолов священного огня, предложив немногим избранным владеть оружием, мгновенно испепеляющим миллионы невинных людей[23]?

Странные отношения между пространством и временем

Когда Эйнштейн сформулировал это уравнение в 1905 г., ему было всего 26 лет, и он выглядел простым и вполне симпатичным молодым человеком. Грязные волосы появились только в 1920-х гг., а взгляд «дружелюбного сумасшедшего ученого» — в 1930-х. Но все это еще слишком далеко отстояло от классического равенства: грязные волосы = сумасшедший ученый = непризнанный гений = чудовищные и непредсказуемые последствия.

На заре XX в. в течение более чем 10 лет уже была открыта и сделалась известной радиоактивность; фундамент теории относительности в значительной степени тоже был заложен. Фактически и уравнения Максвелла (см. главу 8) неявно оперировали одним из постулатов теории относительности, а именно тем утверждением, что скорость света в вакууме является постоянной величиной и имеет одно и то же значение независимо от системы отсчета, в которой она измеряется[24]. Теоретик Хендрик Лоренц смог прочесть зашифрованные в уравнениях Максвелла скрытые смыслы и вывести свои формулы, известные как «преобразования Лоренца», выражающие странные отношения между пространством и временем.

Анри Пуанкаре также заметно продвинулся на этом пути, но его остановила стена из собственных научных предубеждений. Он, будучи титаном науки, заметил, что из уравнений следует замедление времени и сокращение расстояний при движении с большой скоростью. Но как такое могло быть возможно? Пуанкаре ясно представил перспективу решения столь щекотливой проблемы, но не стал развивать идею дальше, полагая, что имеет дело с математическим курьезом и что «настоящая» физическая реальность описывается совершенно другими уравнениями.

Верить по-настоящему…

На этом этапе гениальность Эйнштейна состояла в том, чтобы всего лишь поверить в теорию. В тот момент весь математический аппарат этой теории уже существовал, достаточно было найти правильные слова и постулировать, что эти формулы действительно описывают реальность.

Один маленький шаг и… непосредственным следствием стало E = mc2. Интересно, Эйнштейн уже искал объяснение радиоактивности, когда получил это уравнение, или понимание его связи с ней пришло гораздо позднее? Может быть, он просто пытался расширить работу Лоренца и Пуанкаре? Или это явилось результатом его собственных размышлений о пространстве и времени? Было ли важно для этой работы, что в это время Эйнштейн работал на швейцарских железных дорогах и отвечал за их синхронизацию?

Кто является «истинным» творцом новой теории: человек, который строит модель, не веря в ее реальность, воспринимая все как математический парадокс, или тот, кто верит в теорию и ищет именно те математические формулы, которые дадут нужный результат? Мы начинаем строить модель только для того, чтобы описать экспериментальные факты. И вдруг случается так, что именно эта модель дает совершенно иное видение окружающего нас мира.

В современной физике мы