Масса, материя и реальность

Масса, материя и реальность

Произведем небольшую «ревизию» той картины мира, которую дала нам классическая физика. Во-первых, там существует пространство-время, выполняющее важнейшую функцию арены, на которой разыгрываются всевозможные физические процессы. Во-вторых, имеются физические объекты, задействованные в этих процессах, но ограниченные точными математическими законами. Физические объекты, о которых идет речь, бывают двух типов: частицы (корпускулы) и поля. Об истинной природе и отличительных особенностях частиц сказано немного, за исключением того, что у каждой частицы имеется своя мировая линия и каждая частица обладает индивидуальной массой покоя, (возможно) электрическим зарядом и т. д. С другой стороны поля описываются очень точно: электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, а гравитационное поле — уравнениям Эйнштейна.

В описании частиц мы сталкиваемся с определенной двусмысленностью. Если частицы имеют столь малые массы, что их собственным влиянием на поля можно пренебречь, то такие частицы называются пробными частицами, и их движение под действием полей задается однозначно. Выражение для силы Лоренца описывает реакцию пробных частиц на электромагнитное поле, законы движения по геодезическим линиям — на гравитационное поле (или соответствующую комбинацию в случае присутствия обоих полей). Поэтому частицы надлежит рассматривать как точечные, т. е. имеющие одномерные мировые линии. Но в тех случаях, когда влиянием частиц на поля (и, следовательно, на другие частицы) пренебрегать нельзя, т. е. когда сами частицы становятся источниками поля, их следует рассматривать как объекты с ненулевой протяженностью в пространстве. Иначе поля в непосредственной близости от каждой частицы обращаются в бесконечность. Такие протяженные источники создают распределение заряда-тока (?, j), необходимое для уравнений Максвелла, и тензор ЭНЕРГИЯ, входящий в уравнения Эйнштейна. Наряду с этим пространство-время, вмещающее в себя все частицы и поля, обладает изменчивой структурой, которая сама по себе описывает гравитационные явления. «Арена» принимает участие в том самом действии, которое на ней разыгрывается!

Это то, что нам говорит классическая физика о природе физической реальности. Ясно, что хотя очень многое уже известно — не стоит пока благодушно тешить себя надеждой на то, что картины мироздания, рисующиеся нам сейчас, не будут однажды перечеркнуты с появлением более глубоких теоретических построений. В следующей главе мы увидим, что даже те революционные преобразования нашей картины, которые совершила теория относительности, бледнеют и кажутся почти незначительными по сравнению с нововведениями квантовой теории. Но мы пока не закончили изучение классической теории и далеко не исчерпали всех ее возможностей. А у нее для нас еще припасен один сюрприз!

Чем в действительности является «материя»? Это реальная субстанция, из которой состоят физические объекты — «вещи» окружающего нас мира. Это то, из чего состоим вы и я, то, из чего сделаны наши дома. Каким образом можно квантифицировать эту субстанцию, т. е. выразить ее количественно? В наших элементарных учебниках физики излагается ясный ответ, который дал на этот вопрос Ньютон. Мерой количества материи, содержащейся в объекте или в системе объектов, служит его (или их) масса. Такой ответ действительно кажется верным: другой физической величины, которая может всерьез конкурировать с массой за право называться истинной мерой всей материи, содержащейся в объекте, просто не существует. Кроме того, масса сохраняется: масса, а следовательно, и полное материальное содержимое любой системы всегда должно оставаться одним и тем же.

Однако знаменитая формула Эйнштейна из специальной теории относительности

E = mc2

свидетельствует о способности массы (m) превращаться в энергию (Е) — и наоборот. Например, когда атом урана участвует в процессе распада, распадаясь на меньшие осколки, полная масса каждого из осколков (если бы их можно было привести в состояние покоя), была бы меньше исходной массы атома урана — но если учесть энергию движения, т. е. кинетическую энергию (см. гл.5, подгл. «Динамика Галилея и Ньютона»)[137] каждого осколка и пересчитать ее в терминах массы, разделив на c2 (по формуле Е = mc2), то мы обнаружим, что суммарная энергия осколков осталась неизменной. Масса действительно сохраняется, но, поскольку она отчасти состоит из энергии, после распада атома могут возникнуть сомнения, что именно масса служит мерой количества вещества в составе объекта. Энергия, по существу, зависит от скорости, с которой движется материя. Энергия движения скорого поезда весьма значительна, но если мы сидим в вагоне этого поезда, то с нашей точки зрения поезд вообще не движется. Энергия движения скорого поезда (хотя и не тепловая энергия случайных движений его отдельных частиц) была «сведена к нулю» подходящим выбором системы отсчета. В качестве поразительного примера, весьма наглядно демонстрирующего действие соотношения масса-энергия Эйнштейна, рассмотрим распад одной из разновидностей субатомных частиц — так называемого ?°-мезона. Это — заведомо материальная частица, обладающая вполне определенной (положительной) массой. Через какие-нибудь 10-16 секунды ?°-мезон распадается (как атом урана, но гораздо быстрее), при этом почти всегда на два фотона (рис. 5.36).

Рис. 5.36. «Массивный» ?°-мезон распадается на два безмассовых фотона. Пространственно-временна?я картина показывает, как сохраняется 4-вектор энергии-импульса: 4-вектор ?°-мезона есть сумма 4-векторов двух фотонов, получаемая по правилу параллелограмма (на рисунке этот параллелограмм покрыт точками)

Для наблюдателя, покоящегося относительно ?°-мезона, каждый фотон уносит половину энергии и, в действительности, половину массы ?°-мезона. Однако, «масса» фотона носит несколько призрачный характер, ибо это — чистая энергия. Если бы мы получили возможность быстро двигаться в направлении одного из фотонов, то смогли бы уменьшить его массу до сколь угодно малой величины — поскольку собственная масса (или масса покоя — с этим понятием мы вскоре познакомимся) фотона равна нулю. Все сказанное вместе образует непротиворечивую картину сохраняющейся массы, но эта картина сильно отличается о той, которой мы располагали раньше. Масса может, как и прежде, служить в некотором смысле мерой «количества материи» — но наша точка зрения теперь кардинально изменилась: так как масса эквивалентна энергии, то масса системы, как и ее энергия, зависит от движения наблюдателя!

Сейчас нам стоит более четко сформулировать ту точку зрения, к которой мы в итоге пришли. Сохраняющаяся величина, которая исполняет роль массы — это единый объект, известный как четырехвектор энергии-импульса (или, в другой форме записи, 4-вектор энергии-импульса). Его можно условно изобразить в виде стрелки (вектора), исходящей из начала О пространства Минковского и направленной внутрь светового конуса будущего точки О (или, если речь идет о фотоне, — лежащей на поверхности этого конуса, см. рис. 5.35).

Рис. 5.35. 4-вектор энергии-импульса

Эта стрела, направленная в ту же сторону, что и мировая линия объекта, содержит всю информацию о его энергии, массе и импульсе. Таким образом, «t-значение» (или «высота») конца стрелки, измеренная в системе отсчета наблюдателя, описывает массу (или энергию, деленную на с2) объекта, а пространственные компоненты задают импульс (деленный на с).

«Длина» этой стрелки в смысле Минковского — это важная величина, известная как масса покоя. Она описывает массу объекта в системе отсчета наблюдателя, покоящегося относительно этого объекта. Можно было бы рассматривать такую величину в качестве хорошей меры «количества материи», входящей в состав указанного объекта. Но подобная величина не аддитивна: если систему разделить на две, то исходная масса покоя не равна сумме масс покоя возникших в результате деления частей. Напомним рассмотренный выше распад ?°-мезона. ?°-мезон имеет положительную массу покоя, тогда как масса покоя каждого из возникших в результате распада фотонов равна нулю. Но свойство аддитивности выполняется для всей стрелки (четырехвектора), по отношению к которой мы должны выполнять «сложение» векторного типа, как показано на рис. 5.36. Именно вся стрелка служит мерой «количества материи»!

Обратимся теперь к электромагнитному полю Максвелла. Мы уже отмечали, что оно переносит энергию. Значит, по соотношению Е = mc2 электромагнитное поле должно тоже иметь массу. Таким образом, и поле Максвелла представляет собой материю! И с этим утверждением теперь придется согласится, коль скоро поле Максвелла тесно связано с силами, удерживающими частицы вместе. Электромагнитные поля внутри любого тела должны вносить существенный вклад[138] в его массу.

А как обстоит дело с гравитационным полем Эйнштейна? Во многих отношениях оно напоминает поле Максвелла. Подобно тому, как в теории Максвелла заряженные тела, двигаясь, могут испускать электромагнитные волны, массивные движущиеся тела тоже могут (согласно теории Эйнштейна) порождать гравитационные волны (см. выше «Релятивистская причинность и детерминизм»), которые, как и электромагнитные волны, распространяются со скоростью света, перенося при этом энергию. Однако эта энергия не поддается измерению стандартным способом, т. е. не может быть определена тензором ЭНЕРГИЯ, о котором говорилось выше. Для (чисто) гравитационной волны этот тензор всюду равен нулю! Можно было бы принять точку зрения, согласно которой кривизна пространства-времени (не полностью задаваемая тензором ВЕЙЛЬ) может каким-то образом представлять «количество материи», заключенной в гравитационных волнах. Но оказывается, что гравитационная энергия нелокальна: изучая кривизну пространства-времени только в ограниченных областях, невозможно определить, какова мера гравитационной энергии. Энергия, а следовательно, и масса гравитационного поля ведут себя подобно скользкому угрю, так что их невозможно «привязать» в каком-нибудь четко определенному месту. Тем не менее, к гравитационной энергии следует относиться со всей серьезностью. Она заведомо присутствует, и ее необходимо учитывать для того, чтобы сохранить смысл понятия массы. Существует хорошая (и положительная) мера массы (Бонди [1960] и Сакс [1962]), которая применима к гравитационным волнам — но нелокальность такова, что, как оказывается, эта мера может иногда становиться ненулевой в плоских областях пространства-времени, расположенных между двумя всплесками излучения (совсем как «глаз» урагана), где пространство-время на самом деле полностью лишено кривизны (см. Пенроуз, Риндлер [1986]) (и где, следовательно, оба тензора — ВЕЙЛЬ и РИЧЧИ — равны нулю)! В таких случаях мы, по-видимому, вынуждены придти к заключению, что если эта масса-энергия вообще должна быть локализована, то она с необходимостью должна быть сосредоточена в этом плоском пустом пространстве — области, совершенно свободной от материи или полей любого рода. При таких любопытных обстоятельствах наше «количество материи» либо локализовано там, в самых пустых областях пустого пространства — либо ее вообще нигде нет!

Такое заключение кажется чистейшим парадоксом. Но мы знаем, что этот вывод непосредственно вытекает из тех сведений о природе «реальной» материи нашего мира, которые дают наши лучшие классические теории (а это действительно превосходные теории!). Согласно классической теории — не говоря уже о квантовой, к изучению которой мы скоро приступим — материальная реальность оказывается субстанцией гораздо более расплывчатой, чем казалось прежде. Задача ее количественного измерения — и даже само ее существование — связана только локально! Если такая нелокальность с необходимостью учета чрезвычайно тон — кажется вам загадочной — приготовьтесь к еще более сильным потрясениям!

Данный текст является ознакомительным фрагментом.



Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Похожие главы из других книг:

9. Поддержание субъективности. Реальность внутренней жизни и реальность Государства. Смысл субъективности

Из книги автора

9. Поддержание субъективности. Реальность внутренней жизни и реальность Государства. Смысл субъективности Метафизика, или отношение к Другому, осуществляется как услужение и гостеприимство. В той мере, в какой лицо Другого ставит нас в связь с третьим лицом,


2.2. Материя – объективная реальность

Из книги автора

2.2. Материя – объективная реальность Диалектический материализм отказывается от понимания материи как абсолютного субстрата, субстанции. Еще до революции в естествознании Энгельс говорил о неэффективности поисков «материи как таковой». Материи как особого субстрата,


Масса и терроризм

Из книги автора

Масса и терроризм Мы живем в это странное время, когда массы не соглашаются носить имя социального и тем самым отказываются и от смысла, и от свободы. Но отсюда не следует, что они включены в какую-то иную – новую и не менее славную – референцию. Ибо они


а) «ДУХ» И «МАССА»

Из книги автора

а) «ДУХ» И «МАССА» До сих пор казалось, что критическая критика в большей или меньшей степени занята критической обработкой разное образных массовых предметов. Теперь мы находим её занятой абсолютно критическим предметом — самой собой. До сих пор она черпала свою


1) КРИТИЧЕСКАЯ МАССА

Из книги автора

1) КРИТИЧЕСКАЯ МАССА Где лучше чувствуешь себя, Чем в лоне своего семейства?[70] Критическая критика в своём абсолютном наличном бытии, в лице г-на Бруно, объявила массовое человечество, всё то человечество, которое не есть критическая критика, своей противоположностью,


а) «ЗАКОСНЕЛАЯ МАССА» И «НЕУДОВЛЕТВОРЁННАЯ МАССА»

Из книги автора

а) «ЗАКОСНЕЛАЯ МАССА» И «НЕУДОВЛЕТВОРЁННАЯ МАССА» Жестокосердие, закоснелость и слепое неверие «массы» имеют одного довольно решительного представителя. Этот представитель говорит об «исключительно гегельянском философском образовании берлинского


Масса и терроризм

Из книги автора

Масса и терроризм Мы живём в это странное время, когда массы не соглашаются носить имя социального и тем самым отказываются и от смысла, и от свободы. Но отсюда не следует, что они включены в какую-то иную – новую и не менее славную – референцию. Ибо они не существуют.


Масса

Из книги автора

Масса Обращенный страх прикосновения Человеку страшнее всего прикосновение неизвестного. Он должен видеть, что его коснулось, знать или, по крайней мере, представлять, что это такое. Он везде старается избегать чужого прикосновения. Ночью или вообще в темноте испуг от


Масса как кольцо

Из книги автора

Масса как кольцо Вдвойне закрытую массу представляют собой люди, собравшиеся на арене. Стоит рассмотреть ее в этом любопытном качестве.Снаружи арена четко ограничена. Она обычно видна отовсюду. Ее положение в городе, место, которое она занимает, общеизвестно. Каждый


Преследующая масса

Из книги автора

Преследующая масса Преследующая масса возникает в виду быстро достижимой цели. Цель — убийство, и известно, кто будет убит. Жертва известна, четко обозначена, близка. Масса бросается на нее с такой решимостью, что отвлечь ее невозможно. Для того, чтобы возникла


Масса бегства

Из книги автора

Масса бегства Масса бегства возникает в результате общей угрозы. Она бежит увлекая с собой всех. Грозящая опасность для каждого одна и та же. Она сконцентрирована в определенном месте. Она ни для кого не делает различий. Она может угрожать всем жителям города, всем


Католицизм и масса

Из книги автора

Католицизм и масса При непредвзятом наблюдении в католицизме бросаются в глаза определенные медленность и спокойствие, а также широта. Он претендует на то, что в нем хватит места всем, и это — главная претензия, содержащаяся уже в его имени. Желательно, чтобы обращен был


Инфляция и масса

Из книги автора

Инфляция и масса Инфляция — это массовый процесс в подлинном и точном смысле слова. Дезорганизующее воздействие, которое она оказывает на население целых стран, ни в коем случае не ограничивается самим моментом инфляции. Можно сказать, что в наших современных


Масса (Multitude)

Из книги автора

Масса (Multitude) Большое число. Когда это слово употребляют по отношению к человеческим существам, подразумевается, что речь идет исключительно о количестве – неупорядоченном и ничем не объединенном. В этом смысле масса противостоит государству, подразумевающему порядок, и