E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира - Дэвид Боданис

Статьи ее наделали немало шума. Дю Шатле всегда была автором, умевшим ясно излагать свои мысли, ей помогало также и то, что Сирей считался одним из по-настоящему независимых исследовательских центров Европы. Большинство англоязычных ученых автоматически принимало сторону Ньютона, а германоязычные с не меньшим догматизмом выступали за Лейбница. Франция же стояла между ними, неизменно владея правом решающего голоса, вот голос дю Шатле и оказался главным в решении давнего спора.

Опубликовав результаты своей работы, она сделала паузу, — необходимо было заняться денежными делами семьи и подумать о следующем предмете исследований. Она и Вольтер путешествовали, в Версале дю Шатле забавлялась, наблюдая за новым поколением придворных, не имевших ни малейшего понятия ни о том, что она — один из ведущих в Европе интерпретаторов современной физики, ни о том, что она издает сделанные ею на досуге переводы Аристотеля и Вергилия. В конце концов, когда дю Шатле произвела обширные расчеты вероятностей выигрыша за карточным столом, кое-какие представления о ее дарованиях все же стали достоянием публики.

Время шло, они возвратились в Сирей. Там («в этом нашем упоительном прибежище» — писала она) уже разрослись липы, и дю Шатле даже позволила, наконец, Вольтеру разбить собственный огород. А затем произошло то, о чем она торопливо написала одной из подруг.

3 апреля 1749

Шато де Сирей

Я беременна, и вы можете вообразить… как я… вынужденная рожать в сорокалетнем возрасте… страшусь за мое здоровье и даже за жизнь.

То было одним из тех событий, контролировать которые она не могла. Она уже рожала вскоре после замужества, но хоть и была в ту пору на двадцать лет моложе, даже тогда роды были делом опасным. Доктора тех времен не ведали, что им следует мыть руки или инструменты. Антибиотиков, способных остановить неизбежную в подобных условиях инфекцию, не существовало; не было и окситоцина, позволяющего справиться с маточным кровотечением. Дю Шатле не гневалась на очевидную бестолковость докторов своей эпохи, но лишь сказала Вольтеру о том, как грустно ей уходить из жизни, не успев приготовится к неизбежному концу. Сколько времени у нее осталось, она знала — роды ожидались в сентябре. Дю Шатле всегда работала подолгу и помногу, теперь же ей приходилось спешить, и свечи на ее письменном столе горели порою до утренней зари.

1 сентября 1749 года она написала директору королевской библиотеки, что в коробке, к которой прилагается ее письмо, он найдет законченный черновик написанных ею пространных комментариев к трудам Ньютона. Три дня спустя начались роды — их она пережила, однако ее поразила инфекция и спустя неделю дю Шатле скончалась.

Вольтер был сам не свой от горя: «Я потерял половину себя самого, душу, созданную для меня».

Постепенно мысль о том, что энергия пропорциональна mv2, обратилась во вторую натуру физиков. Немалую роль в этом сыграло полемическое искусство Вольтера, пропагандировавшего наследие своей возлюбленной. В следующем столетии Фарадей и другие, разрабатывая представления о сохранении энергии в целом, использовали именно mv2, как количество энергии, которое может претерпевать различные трансформации, но никогда не исчезает полностью. Анализ, произведенный дю Шатле, как и ее сочинения, были необходимым шагом вперед, хотя со временем о сыгранной ею роли забыли — отчасти потому, что каждому новому поколению ученых присуща тенденция смотреть на прошлое свысока; отчасти же потому, что ученым неприятно было думать, что именно женщина указала направление столь обширных научных исследований и помогла определить дальнейший ход научной мысли.

Впрочем, оставался еще один большой вопрос: «почему?». Почему именно квадрат скорости дает столь точную меру для описания того, что происходит в природе?

Одна из причин этого состоит в том, что сама геометрия нашего мира часто порождает квадраты чисел. Когда вы подходите к лампе, при свете которой читаете, на расстояние, вдвое меньшее прежнего, света на читаемую вами страницу попадает не вдвое больше. Точно так же, как в опытах Гравезанда, интенсивность света увеличивается в четыре раза.

Свет от лампы может заливать немалую площадь. А когда вы приближаетесь к ней, то же количества света концентрируется на площади много меньшей.

Интересно отметить следующее: рост почти всего, что способно устойчиво аккумулироваться, описывается с помощью простых квадратов чисел. Если вы разгоняете вашу машину с 32 до 128 км/час, скорость ее возрастает в четыре раза. Однако, когда вы жмете на тормоз, чтобы остановить ее, торможение занимает отнюдь не в четыре раза больше времени. Накопленная вами энергия возросла в шестнадцать раз (это четыре в квадрате). Настолько же более длинным окажется и ваш тормозной путь.

Представьте, что тормозная колодка связана с неким накопителем энергии. Автомобиль, который движется в четыре раза быстрее другого, генерирует — на самом деле, несет в себе — энергию в шестнадцать раз большую. Если кто-то попытается измерить эту энергию просто как mv1, ничего путного у него не получится. Наиболее важные аспекты движения выявляются лишь с помощью mv2.

Со временем физики привыкли умножать массу объекта на квадрат его скорости (mv2) для получения столь полезного показателя, как его энергия. Если скорость мяча либо камня составляла 100 м/с, физики знали, что несомая им энергия пропорциональна его массе, умноженной на 100 в квадрате. Если же скорость поднималась до высшего ее предела, до 300 миллионов м/с, все выглядело так, словно полная энергия, которую может содержать этот объект, получалась умножением его массы на скорость света в квадрате — mс2. Это, разумеется, никакое не доказательство, но выглядит оно так естественно, так «уместно», что, когда в детальных расчетах Эйнштейна появилось mс2, величина эта помогла придать большее правдоподобие и его ошеломляющему выводу о том, что раздельные, по всей видимости, царства энергии и массы на самом-то деле связаны, а мост, перекинутый между ними, это «с» — скорость света. (Читатель, которого интересуют подлинные выкладки Эйнштейна, может заглянуть на посвященный этой книге сайт davidbodanis.com, содержащий некоторые из его рассуждений.)

Именно с2 и определяет то, как работает эта связь. Если бы наша вселенная была устроена иначе, — если бы с2 была величиной небольшой, то малая масса преобразовывалась бы и в энергию столь же малую. Однако в нашей реальной вселенной, наблюдаемой с небольшой, тяжеловесно вращающейся планеты, к которой мы приписаны, с2 — величина огромная. Представленная в единицах м/с, скорость света равна 300 миллионам, а с2, соответственно 90 000 000 000 000 000 (при представлении в км/час — 1 080 000 000 и 1 166 400 000 000 000 000, соответственно). Вообразите стоящий в уравнении знак равенства как своего рода туннель или мост. Очень маленькая масса, проходя через уравнение и появляясь на стороне энергии, возрастает колоссальным образом.

А это означает, что масса является просто конечным видом сконденсированной, или сконцентрированной энергии. И наоборот: энергия это то, что при правильных условиях изливается из массы. Вот вам аналогия — несколько древесных веток способны, сгорая, порождать огромное количество дыма. Человек, который никогда не видел костра, может испугаться: подумать только, какие количества дыма «ждали своего часа» внутри дерева. Уравнение Эйнштейна показывает, что примерно таким же образом можно, теоретически, выпустить наружу и массу в любой ее форме. Оно говорит и о том, что результат получится куда более мощным, чем при простом химическом горении — «разрастание» окажется намного большим. Как раз огромный коэффициент преобразования, 90 000 000 000 000 000, и показывает, насколько увеличивается масса, если вся она проходит через стоящий в уравнении знак равенства.

Часть 3. Ранние годы

Глава 7. Уравнение и Эйнштейн

Когда в 1905 году Эйнштейн обнародовал свое уравнение, Е=mc2, на него почти не обратили внимания. Оно попросту не согласовывалось с тем, чем занималось большинство других ученых. Великие открытия Фарадея, Лавуазье и прочих были доступны всем, однако никто не пытался соединить их так, как это сделал Эйнштейн, да, собственно, никому и в голову не приходило предпринять такую попытку.

Доминирующими индустриями мира были: сталелитейная и красильная промышленности, железные дороги и сельское хозяйство — на них и оставалось направленным внимание рядовых ученых. В нескольких университетах существовали лаборатории, специализировавшиеся по работе в большей степени теоретической, однако значительная часть их проводилась в областях, которые и за два столетия до этого не вызвали бы у Ньютона особого удивления: трактаты по стандартной оптике, звуку и упругости писались и в его время. Оригинальных статей появлялось мало и относились они к новым и загадочным радиоволнам или к вопросам, связанным с радиоактивностью, так что Эйнштейн действовал практически в одиночку.