E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения в мире - Дэвид Боданис

Роберт Фрост опубликовал эти строки в 1923 году, когда изображал в штате Вермонт выращивающего яблоки фермера. Однако первый вариант стихотворения был написан, еще когда он состоял в штате Колледжа Амхерста и имел возможность тратить немалое время на чтение. В ту пору многие из писавших на научные темы людей использовали популярный со времен знаменитого французского натуралиста Бюффона и до поздней викторианской Англии образ огромной остывающей вселенной. Но были и такие, кто противопоставлял ему более ранние апокалипсические образы «Откровения Иоанна», предвещавшего в конце огонь и потопление.

В действительности, с Землей произойдет и то, и другое. Существа, которые будут населять поверхность этой планеты в пятимиллиардный год нашей эры, увидят как Солнце станет разрастаться в размерах до тех пор, пока оно не займет собой половину дневного небосвода. Океаны выкипят, камни на поверхности планеты расплавятся. Возможно, существовавшая на Земле жизнь сможет, используя технологии, которые мы сейчас и вообразить не способны, переселиться на другие планеты или укрыться в глубоких подземных тоннелях; возможно, Земля опустеет задолго до того времени, когда сжигающее все Солнце наполнит небо.

Солнце сохранит огромные размеры в течение еще миллиарда лет, пока будет выгорать оставшийся внутри его гелиевый пепел; оно так и будет уничтожать собственную массу, обращая ее в энергию яростного света и тепла. Затем, когда поддерживавшие его размер потоки энергии ослабеют, оно начнет сжиматься. К этому времени в нем выгорит столько «топлива», что горение Солнца станет неустойчивым.

Вот тогда и начнет образовываться лед. По мере оскудения внутренних запасов топлива, Солнце будет сжиматься и сжиматься, но затем оно подключится к другим источникам топлива, и новый выброс энергии заставит его резко расшириться. Каждый раз это будет сопровождаться звуковыми ударами, не сравнимыми, впрочем, с недолгим громом, который возникает, когда самолет переходит звуковой барьер. На этом этапе, через шесть миллиардов лет, считая от нашего времени, Земля и вправду услышит последний вопль Титанов.

Каждое расширение Солнца будет сопровождаться такой убылью его массы, что спустя всего несколько сот тысяч лет от него останется лишь очень немногое. И остаток этот уже не сможет создавать ту же, что и прежде, силу притяжения. Если Земля не окажется поглощенной расширявшимся Солнцем, то после 11 миллиардов лет ее нахождения на устойчивой орбите оно уже не сможет удерживать ни ее, ни другие планеты. Солнечная система распадется, и Земля полетит в открытый космос.

Одно из ключевых открытий, необходимых для понимания дальнейших событий, — в которых E=mc2 опять-таки играет центральную роль, — было сделано Субрахманьяном Чандрасекаром, одним из ведущих астрофизиков двадцатого века, человеком, научная карьера которого продолжалась почти шестьдесят лет. Открытие это он сделал жарким летом 1930-го, когда ему было всего девятнадцать. Британская империя уже понемногу распадалась, однако Чандра (как его обычно называли) пока еще жил в ее владениях и теперь ехал из Бомбея в Англию, намереваясь поступить в аспирантуру Кембриджа.

В тот август в Аравийском море штормило, пассажиры сидели по каютам, однако, когда Чандра оправился от морской болезни, у него еще оставались недели спокойного плавания, стопка чистых листов бумаги и семейная привычка с толком использовать свободное время. Чандра был темнокожим брамином и, когда дети кое-кого из белых пассажиров пытались поиграть с ним, — а он считал себя обязанным принимать такие предложения, — родители быстренько их уводили.

В итоге, свободного времени у него оказалось предостаточно и он, сидя в палубном шезлонге, одним из первых на Земле людей сообразил, что небесным телам присуща некая странность. Было уже известно, что гигантские звезды могут взрываться, — их верхние слои разлетаются после соударения с тяжелым, сжимающимся ядром. Но что происходит вслед за взрывом с самим этим ядром?

Чандра был образованным молодым человеком, хорошо знавшим литературу Индии и Запада и свободно говорившим по-немецки. Он читал статьи Эйнштейна, встречался с некоторыми приезжавшими в Индию ведущими физиками Германии. Он знал, что плотное ядро звезды испытывает сильное внешнее давление, и теперь задумался о том, что такое давление также является формой энергии.

А энергия есть лишь другая ипостась массы.

Энергия, возможно, и способна к большей, чем масса, диффузии, однако, как показывает уравнение E=mc2, обе они суть различные стороны одного и того же. И опять-таки, два члена уравнения — «Е» и «m» — вовсе не обязаны переходить с одной его стороны на другую и «превращаться» друг в друга. В действительности, уравнение говорит об ином: значительная часть того, что мы называем массой, это на самом деле энергия, — просто мы не привыкли узнавать ее в таком обличии. Подобным же образом, ярко светящаяся, сконденсированная энергия это в действительности масса — просто она имеет форму более диффузную, чем та, в которой мы легко распознаем массу.

Чандра словно бы мельком увидел процесс, который ведет к образованию черных дыр. Ему оставалось лишь следовать логике этого процесса, которая, двигаясь, как по спирали, вела к своего рода «уловке-22». Сжатое ядро звезды испытывает новое, очень сильное давление, давление может рассматриваться как разновидность энергии, а там, где имеет место большая концентрация энергии, окрестные пространство и время ведут себя так же, как в присутствии большой концентрации массы. Благодаря наличию всей этой «массы», сила притяжения, создаваемая остатками звезды, возрастает. И эта сила притяжения продолжает сдавливать то, что осталось, то есть давление становится еще более сильным. А поскольку этот рост давления можно, опять-таки, трактовать как увеличение энергии, оно — понял Чандра, помнивший о E=mc2, — выглядит, как дальнейший прирост массы. То есть, сила притяжения все растет и растет.

У малой звезды такое нарастание давления далеко не заходит, что позволяет веществу, расположенному близ центра звезды, сопротивляться ему. Однако, если звезда достаточно массивна, процесс идет дальше. И не важно, насколько прочно вещество, из которого состоит звезда; на самом деле, если оно обладает исключительно высокой устойчивостью, положение его вскоре только ухудшится. Предположим, что гигантская звезда находится под еще большим, чем ожидалось, давлением, что на нее давят колоссальные, немыслимые триллионы триллионов тонн. Так вот, это дополнительное давление «дало бы» еще большую энергию, которая повела бы себя как еще большая масса, и потому сила притяжения усилилась бы и сдавила бы звезду еще пуще.

Независимо от того, какой сопротивляемостью обладает вещество, из которого состоит ядро звезды, внутренность ее будет сдавливаться до тех пор, пока…

Пока что?

Чандра обладал непредвзятым умом молодого человека, однако на этом этапе и ему пришлось притормозить. Не предсказывает ли он, что внутренность звезды просто-напросто исчезнет? Если так, в самой материи вселенной существуют разрывы! Чандра приостановился, чтобы помолиться и поесть, он даже провел несколько часов, вежливо слушая христианского проповедника, который объяснял ему, правоверному индусу, почему все религии Индии суть дело рук Дьявола. «Он был миссионером, — вспоминал впоследствии Чандра, — но также… желал меня порадовать. Зачем же было грубить ему?»