Квантовый ум. Грань между физикой и психологией

Минделл Арнольд

E = mc², где c – это скорость света.

Энергия равна произведению массы на квадрат скорости света. До этой формулировки энергия объекта считалась суммой его потенциальной (PE) и кинетической (KE) энергии. Если не было никакой потенциальной и никакой кинетической энергии, то объект находился в покое и не обладал энергией.

E = PE + KE = 0

Новая формула Эйнштейна утверждала, что даже когда нет никакой потенциальной энергии – например, обусловленной

нахождением в поле тяготения, – и даже когда нет никакой кинетической энергии – поскольку объект не движется относительно данного наблюдателя, – в каждой частице материи все равно имеется скрытая энергия.

E = PE + KE + mc² = mc²

На самом деле, даже крохотная частица материи, наподобие атома, которая не движется и не находится в поле тяготения, обладает огромной энергией, запертой в ее небольшой массе. Количество энергии велико потому, что масса умножается на квадрат скорости света, а скорость света так велика – 300 000 километров в секунду, – что, когда вы возводите ее в квадрат, энергия становится гигантской.

Уравнение E = mc² символизирует ту идею, что масса и энергия, по существу, представляют собой выражения одной и той же сущности. Как мы уже узнали, в теории относительности время и пространство неразделимы, то есть имеют одну и ту же сущность. Теперь мы узнаем, что материя и энергия тоже неразделимы. Мы могли бы сказать, что в материи заключена энергия. В массе есть энергия. Можно сказать и противоположное – энергия обладает потенциальной массой. То, что мы с одной точки зрения называем массой, с другой точки зрения представляет собой энергию. В этой главе мы будем исследовать, каким образом уравнение Эйнштейна позволяет нам представлять себе создание виртуальных частиц, поскольку энергия может иметь материальные формы.

Физики были поражены формулой Эйнштейна, поскольку с точки зрения общепринятой реальности со времен Лейбница, масса всегда ассоциировалась с инертными, пассивными объектами. По контрасту с этим, всегда считалось, что энергии присущ активный характер. С появлением специальной теории относительности Эйнштейна оказывалось, что масса – это энергия. Казалось, вдруг снова ожила идея Лейбница о присущей массе живой силе! Представления ОР о массе и энергии перестали быть обязательными. В ОР эти понятия разделимы. Но в наших чувствах они соединяются и переплетаются. Например, в американском сленге слово «тяжелый» используется для выражения чего-то по-настоящему волнующего и необычайного. Причина состоит в том, что мы переживаем что-либо важное и волнующее как весомое, или массивное. Сходным образом, нечто очень тяжелое, наподобие громадного камня, можно было бы назвать значительным [36] . В нашем опыте НОР понятия массы и энергии, тяжелого и сильного, едины.

36

В русском языке мы могли бы сказать «здоровенный камень», что даже еще более

показательно, поскольку здоровье ассоциируется с жизненной энергией. (Примеч. пер.)

В физике из уравнения Эйнштейна следует, что потеря энергии означает потерю массы. Возьмем что-нибудь привычное, например фонарик. Если вы используете энергию его батареи, включая фонарик, то энергия батареи будет уменьшаться и количество массы в этой батарее тоже будет уменьшаться, хотя и незначительно. Насколько? Если Е – это энергия батареи, которую вы использовали, включая фонарь, то величина уменьшения массы равна m = Е/с². Поскольку с очень велико, величина потери массы очень мала. Вот почему вы никогда не замечаете изменения массы m. Тем не менее,

когда вы используете свой фонарик, он теряет вес!

Атомная бомба

Более впечатляющим примером превращения массы в энергию может служить атомная бомба, где утрачиваемая масса превращается в энергию. Количество энергии, образующейся в результате потери крохотной массы, может быть очень большим, поскольку в формуле E = mc² скорость света c представляет собой такое большое число.

Теория относительности сделала физику весьма значительной, сильной и политичной: в преддверии Второй мировой войны она дала ученым идею атомной бомбы. Когда немцы первыми начали разрабатывать атомную бомбу, испуганные американские ученые стали прилагать все усилия, чтобы сделать ее первыми. Все остальное – не только история, но и сегодняшняя политика. Сегодня почти любая страна способна создать атомную бомбу и управлять миром. Атомная энергия может вырабатывать электричество, а также уничтожить человеческую жизнь. Теперь давайте начнем изучать эту энергию.

Вот как можно вычислять и извлекать энергию, связанную в материи. Пусть греческая буква дельта означает изменение количества чего-либо. Согласно Эйнштейну, изменение массы означает изменение энергии в соответствии со следующей формулой.

Е = m x с²

Это уравнение показывает, что для получения большого количества энергии требуется немного массы. Из этого же уравнения также следует, что для получения даже крохотной частицы материи требуется гигантская энергия. Сегодня мы не используем энергию для создания материи, поскольку не имеем в своем распоряжении достаточно энергии; пока это для нас слишком дорого. Но уравнение показывает, что если бы мы имели доступ к огромным количествам энергии, то со временем могли бы создавать материи, быть может, даже целые планеты!

Формула Е = m x с² составляет суть атомной бомбы. Чтобы сделать атомную бомбу, или высвободить атомную энергию со всеми связанными с ней проблемами, берут тяжелый атом, наподобие урана, и разбивают его на части. Если с атомом урана сталкивается другая частица, он распадается на пучок более мелких частиц. Однако то, как он распадается, носит особый характер. Он не просто распадается, но и излучает, а потому теряет энергию в форме излучения. Химическое уравнение распада урана

Уран = 3 атома меньшей массы + E (тепло + излучение) + 2 нейтрона

означает, что масса атома урана превращается в три меньших атома, энергию (тепло и излучение) и 2 нейтрона, которые улетают прочь. Если поблизости есть другие атомы урана, то нейтроны, освобождающиеся при распаде первого атома урана, сталкиваются с другими атомами, и возникает цепная реакция: один распад вызывает другие, подобно тому как при фейерверке одна шутиха может воспламенять другие, если они находятся рядом. Таким образом, один атом урана порождает другие атомы, частицы и излучение. А бомбардировка одного атома урана нейтроном освобождает другие нейтроны и происходит цепная реакция. Это и происходит в атомной бомбе.

Рис. 33.1 Цепная реакция атомной бомбы

Ключ к количеству энергии, высвобождаемой в каждой реакции, лежит в том факте, что суммарное количество массы двух маленьких нейтронов в сочетании с тремя меньшими атомами не вполне соответствует общей массе первоначального атома урана. Иными словами, масса урана больше, чем масса трех меньших атомов и двух нейтронов. Во время этой бомбардировки теряется масса.

Теряющаяся масса освобождается в виде гигантского количества тепла и ужасного количества радиации. Один атом зажигает другие, и получается один из самых творческих, динамичных и смертельных процессов во Вселенной.