МАССА И ЭНЕРГИЯ

В 1900 году физики, наконец, осознали, что внутри атома существует огромный, практически неисчерпаемый запас энергии. Первоначально казалось невозможным, что абсолютная величина запаса энергии в атоме в миллион раз превышала химическую энергию.

Предположим, что человек, стоящий на платформе, движущейся со скоростью 20 километров в час, бросает по ходу движения шар также со скоростью 20 километров в час. Неподвижному наблюдателю, стоящему на обочине, показалось бы, что шар движется со скоростью 40 километров в час (скорость броска суммируется со скоростью шара).

Если бы шар бросали со скоростью 20 километров в час, но с платформы, движущей-

З Л. Азимов

«Миры внутри миров»

ся навстречу неподвижному наблюдателю со скоростью 20 километров в час, то ему шар показался бы неподвижным. Он увидел бы, что шар никуда не двигается, потому что остается в руке бросавшего и затем падает на землю.

Поэтому в XIX веке казалось вполне естественным предположить, что точно так же и свет не двигается. Известно было, что он путешествует с огромной скоростью порядка 300 ООО километров в секунду, в то время как Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду.

Очевидно, что, если луч света, исходящий из некоего привязанного к Земле источника, светил в направлении движения Земли, его свет должен был двигаться со скоростью 300 030 километров в секунду. Если источник светил в направлении, противоположном движению Земли, то свет от него должен был двигаться со скоростью 299 970 километров в секунду.

Можно ли было заметить такую небольшую разницу при столь огромной скорости?

Американский физик Альберт Майкель- сон (1852 — 1931) изобрел интерферометр, точный прибор, с помощью которого можно было сравнивать скорости двух пучков света с большой долей точности.

Результаты эксперимента Майкельсо- па —Морли оказались неожиданными. Оказалось, что скорость света всегда остается постоянной. Не имело значения, каково было направление луча, устремлялся ли ом в направлении движения Земли, в противоположном или под каким-либо углом относительно поверхности земли — скорость света всегда оказывалась одной и гой же.

Объяснение этого явления предложил немецкий ученый Альберт Эйнштейн (1879—1955), который в 1905 году сформулировал положения специальной теории относительности. Согласно точке зрения Эйнштейна, скорость нельзя просто добавить. Шар, брошенный вперед со скоростью 20 километров в час человеком, движущимся со скоростью 20 километров в час в том же направлении, не станет перемещаться со скоростью 40 километров в час, как это может показаться наблюдателю, находящемуся на дороге. Он будет двигаться со скоростью немного меньшей чем 40 километров в час, правда, отличие настолько незначительно, что вряд ли кому-то удастся заметить и тем более измерить эту разницу.

Однако, когда скорость достигнет десятков тысяч километров в час, различие станет достаточно большим и его уже можно будет измерить. При движении со скоростью, приближающейся к скорости света, являвшейся, как показал Эйнштейн, постоянной и недостижимой величиной, разница оказывается настолько огромной, что скорость источника света, хотя и огромная, добавляется к скорости света или вычитается из нее.

При таких скоростях наблюдаются и другие эффекты. В соответствии с выводом Эйнштейна, ни один предмет, обладающий массой, не может двигаться быстрее скорости света. Более того, если объект начинает двигаться все быстрее и быстрее, его величина в отношении движения (как будет казаться неподвижному наблюдателю) становится меньше и меньше, в то время как масса продолжает расти.

Достигнув скорости 260 ООО километров в секунду, его длина в направлении движения будет составлять половину той, что имелась в состоянии покоя, а масса вдвое превысит первоначальную. Достигнув скорости света, его длина достигнет нулевой отметки, в то время как масса станет бесконечно большой.

Но возможно ли такое на самом деле?

Обыкновенные предметы никогда не перемещаются так быстро, чтобы это приводило к существенным изменениям их длины и массы.

Немецкий физик Альфред Генрих Бухе- рер (1863—1927) сообщил в 1908 году, что масса электрона, движущегося с огромной скоростью, увеличивается именно так, как было предсказано в гипотезе Эйнштейна. Многочисленные исследования, проведенные в последующие годы с достаточно большой точностью, подтвердили увеличение массы за счет энергии. Предложенная Эйнштейном специальная теория относительности была подтверждена во множестве экспериментов и принята современными физиками.

Из теории Эйнштейна были сделаны и более далеко идущие выводы. Ученый показал, что масса является формой энергии. Он вывел их количественное соотношение («уравнение массы —энергии»), которое выглядит следующим образом:

Е-тс2,

і де Е — энергия, т — масса, с — скорость света.

Если масса измеряется в граммах, а скорость света в сантиметрах в секунду, то равенство приведет к единице энергии, названной эргом. Оказалось, что 1 грамм массы равен 900 миллиардам миллиардов эргов энергии. 1 эрг содержит совсем немного энергии, но 900 миллиардов милли-

Уничтоженная материя (или масса)/

ардов — это уже весьма внушительное количество.

Энергия 1 грамма массы может обеспечить горение 100-ваттной лампочки на протяжении 35 тысяч лет.

Значительная разница между массой и соответствующей ей энергией многие годы вызывала недоверие к соотношению, выведенному Эйнштейном. Когда происходит химическая реакция, также высвобождается энергия, но масса материалов, вступающих в реакцию, меняется очень незначительно.

Предположим, в частности, что сожгли галлон (около 4,5 литра) бензина. Он име ет массу 2800 граммов и, чтобы образовать углекислый газ и воду, соединяется примерно с 10 ООО граммами кислорода, выделяя при этом 1,35 миллиона миллиардов эргов энергии. Этого количества энергии достаточно, чтобы проехать на автомобиле примерно 25 — 30 километров.

Никакой прибор, известный химикам XIX века, не смог бы обнаружить такую крошечную потерю массы по отношению к огромному целому. Неудивительно, что начиная со времен Лавуазье ученые считали, что закон сохранения массы соблюдается неукоснительно.

Радиоактивный распад атомов сопровождается гораздо большим выделением энергии, чем химические реакции, и средняя потеря массы соответственно оказывается выше. Потеря массы при распаде радиоактивных элементов точно соответствует выделению энергии в том количестве, как предсказывал Эйнштейн.

После 1905 года физики перестали рассматривать закон сохранения энергии, хотя химики без проблем продолжали его использовать, ибо при обычных химических реак циях исходная масса сохранялась. Они стали говорить о законе сохранения энергии и учитывать, что масса являлась только одной и весьма концентрированной формой энергии.

Уравнение массы —энергии точно объяснило, почему атом мог содержать такой огромный заряд энергии. И в самом деле, удивительно, что в ходе радиоактивных изменений выделялось так мало энергии. И все же, когда атом урана постепенно менялся, превращаясь в атом свинца, выделялось в миллион раз больше энергии, чем при самых интенсивных химических реакциях. Вся эта огромная энергия, выделявшаяся в ходе радиоактивного распада, составляла примерно половину 1% всей энергии, которой была эквивалентна масса атома урана.

После создания Резерфордом теории строения атома стало ясно, что источник энергии радиоактивности, скорее всего, находится в атомном ядре, где сосредоточена практически вся масса атома. Вот почему физики сосредоточились на изучении ядра.