Что есть материя? Ньютоновская физика дала абсолютный ответ на этот вопрос: материя — это то, что обладает массой. Несмотря на то что мы больше не рассматриваем массу в качестве основного свойства материи, она остается важным аспектом реальности, которому мы должны отдать должное.
В книге «Математические начала натуральной философии» (1686), монументальном труде, усовершенствовавшем классическую механику и положившем начало эпохи Просвещения, Исаак Ньютон сформулировал три закона движения. По сей день курсы по классической механике обычно начинаются с изучения некоторой версии трех законов Ньютона. Однако эти законы не являются полными. Существует еще один принцип, без которого три закона Ньютона теряют бóльшую часть своей силы. Этот скрытый принцип был настолько основополагающим для ньютоновского восприятия физического мира, что он считал его не законом, управляющим движением материи, а самим определением материи.
Когда я преподаю классическую механику, я начинаю с выявления скрытого предположения, которое я называю нулевым законом Ньютона. И я подчеркиваю, что он ошибочен! Как определение может быть ошибочным? И как ошибочное определение может являться основой великого научного труда?
Легендарный датский физик Нильс Бор различал два вида истины. Для поверхностной, тривиальной истины обратным утверждением является ложь. Для глубокой истины обратным утверждением является глубокая истина. Следуя этой логике, мы могли бы сказать, что поверхностная ошибка заводит в тупик, а глубокая ошибка ведет к прогрессу. Любой человек может совершить тривиальную ошибку, но чтобы совершить глубокую ошибку, нужно быть гением.
Нулевой закон Ньютона представлял собой глубокую ошибку. Она была центральной догмой Старого порядка, который на протяжении более двух столетий главенствовал в физике, химии и астрономии. Только в начале XX века работы Планка, Эйнштейна и других ученых начали оспаривать Старый порядок. К середине века под натиском новых экспериментальных открытий Старый порядок рухнул.
Это разрушение открыло путь новому творению. Наш Новый порядок выявляет совершенно иное понимание материи. Новый порядок основывается на законах, которые отличаются от старых не только деталями, но и формой. В данной книге мы будем изучать эту революцию в базовом понимании и ее последствия.
Однако для оправдания этой революции нам сначала необходимо четко осознать недостатки Старого порядка. Поскольку его ошибки, по классификации Бора, являются глубокими. Старый порядок ньютоновской физики предоставлял нам относительно легкие и простые в использовании правила, которые позволяли довольно эффективно управлять физическим миром. На практике мы по-прежнему используем эти правила для ведения дел в наиболее спокойных, хорошо устоявшихся областях реальности.
Итак, сначала давайте внимательно рассмотрим как огромную силу, так и фатальную слабость скрытого предположения Ньютона, его нулевого закона. Этот закон гласит, что масса не создается и не уничтожается. Что бы ни случилось: столкновения, взрывы, миллионы лет ветров и дождей, — если сложить общую массу всей материи, существующей в начале, в конце или в любой промежуточный момент, вы всегда получите один и тот же результат. На научном сленге это означает, что масса сохраняется. Нулевой закон Ньютона известен под стандартным названием «закон сохранения массы».
Бог и нулевой закон
Разумеется, чтобы превратить нулевой закон в значимое научное утверждение о физическом мире, мы должны указать, как массы измеряются и сравниваются между собой. Мы сделаем это через мгновение. Однако сначала позвольте мне объяснить, почему нулевой закон представляет собой не просто очередной научный закон, а стратегию понимания мира — стратегию, которая на протяжении очень длительного времени показывала себя с очень хорошей стороны.
Примечательно, что сам Ньютон обычно использовал фразу «количество материи», говоря о том, что мы теперь называем массой. Его формулировка подразумевает, что материи без массы быть не может. Масса является предельной мерой материи; она говорит вам, сколько материи у вас есть. Нет массы — нет материи. Таким образом, сохранение массы выражает сохранение материи, а на самом деле равнозначно ему. Для Ньютона нулевой закон был не столько эмпирическим наблюдением или экспериментальным открытием, сколько необходимой истиной; не настоящим законом, а определением. Вернее, как мы далее увидим, он выражал религиозную истину — факт, касающийся Божьего метода творения. (Во избежание недоразумений позвольте мне подчеркнуть, что Ньютон был дотошным эмпирическим ученым. Он проводил тщательную проверку, стараясь удостовериться в том, что следствия из его определений и предположений описывали Природу настолько точно, насколько их позволяли проверить методы тестирования того времени. Я не говорю, что Ньютон позволял своим религиозным идеям влиять на его воззрения, касающиеся реальности. Все немного тоньше: эти идеи формировали его интуитивное понимание того, как устроена реальность. Ньютон подозревал, что нечто подобное нулевому закону должно было быть правдой, основываясь не на результатах кропотливых экспериментов, а на довольно мощном интуитивном понимании, сформированном его религиозными идеями относительно устройства мира. Ньютон не сомневался в существовании Бога и ставил своей задачей в науке выявление способа, с помощью которого Бог управляет физическим миром.)
В своей более поздней работе «Оптика» (1704) Ньютон более конкретно выразил свое видение природы материи:
«Мне кажется вероятным, что Бог сначала дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, будучи твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении».
Этот примечательный отрывок содержит несколько моментов, на которых нам следует заострить внимание. Во-первых, Ньютон принимает свойство фиксированной массы в качестве одного из самых основных свойств первичных строительных блоков материи. Он называет их массивными. Для Ньютона масса — это не то, что следует стремиться объяснить в каких-то более простых терминах. Она является частью базового описания материи, то есть достигает самых основ. Во-вторых, Ньютон приписывает наблюдаемые в мире изменения исключительно перегруппировкам элементарных строительных блоков, элементарных частиц. Сами по себе эти строительные блоки не создаются и не разрушаются — они просто перемещаются. После того как Бог их создал, их свойства, включая массу, никогда не меняются. Ньютоновский нулевой закон движения, закон сохранения массы, следует из этих двух предположений.
Возвращаемся в реальность
Теперь мы должны оставить эти опьяняющие философско-богословские идеи о том, почему сохранение массы может или должно быть правдой, и перейти к обычным измерениям, чтобы проверить их истинность.
Как мы измеряем массу? Наиболее известный способ заключается в использовании весов. Один из видов весов, которые имеются в ванной комнате сидящего на диете человека, сравнивает, насколько тело (имеется в виду тело этого человека) может сжать пружину. Похожим образом устроены весы, используемые рыбаками для сравнения, насколько сильно висящие тела (имеется в виду рыба) могут пружину растянуть. Степень растяжения или (для того, кто сидит на диете) сжатия пружины пропорциональна приложенной к телу и направленной вниз силе, которую мы называем весом тела, пропорциональным его массе.
Исходя из этого очень конкретного и практического критерия, сохранение массы говорит о том, что замкнутая система будет продолжать так же сильно растягивать пружину, что бы ни происходило внутри. Это подтвердил Антуан Лоран Лавуазье (1743–1784) с помощью, конечно же, более сложных и точных весов, чем те, которые находятся в вашей ванной комнате, в ходе многочисленных тщательных экспериментов, принесших ему титул отца современной химии. С помощью самых разнообразных химических реакций Лавуазье подтвердил равенство общего веса исходного материала и общего веса материала после реакции с максимальной доступной ему степенью точности (как правило, до тысячных долей или около того). Благодаря учету всего вещества, участвующего в реакции, включая газы, которые могли улетучиться, пепел, оставшийся после взрывов и т. д., он обнаруживал новые соединения и элементы. Лавуазье был обезглавлен во время Французской революции. Математик Жозеф Лагранж сказал: «Им потребовалась лишь секунда на то, чтобы отрубить эту голову, однако на создание подобной головы Франции может понадобиться не один век».
Использование весов для сравнения массы является практичным и эффективным способом, однако он не подходит в качестве общего, принципиального определения массы. Например, если ваше тело окажется в космосе, то его вес, измеренный с помощью весов, будет меньше, однако его масса останется прежней. (Весы соврут, а обхват талии не уменьшится.) Если закон сохранения массы является правдой, то лучше бы, чтобы масса оставалась той же! И это замкнутое на себя утверждение имеет реальное содержание, поскольку вы можете сравнить массы и другими способами. Например, можно сравнить скорость полета двух пушечных ядер, выстрелив ими из одной и той же пушки. Согласно другим ньютоновским законам движения, начальный импульс задает скорость, обратно пропорциональную массе. Поэтому, если одно пушечное ядро вылетит из пушки в два раза быстрее, чем другое, значит, оно имеет в два раза меньшую массу, вне зависимости от того, проводите вы этот эксперимент на поверхности Земли или в космосе.
Я не буду вдаваться в технические подробности процесса измерения массы, только скажу, что существует множество способов это сделать помимо использования весов и выстрелов из пушек, а также множество методов проверки их непротиворечивости друг другу.
Ниспровержение
Нулевой закон Ньютона признавался учеными на протяжении более двух столетий, и не только потому, что он соответствовал некоторым философским или богословским воззрениям. Он признавался потому, что работал. Вместе с остальными ньютоновскими законами движения и законом тяготения нулевой закон формирует основу математической дисциплины — классической механики, которая с удивительной точностью описывает движение планет и их спутников, странное поведение гироскопов и многие другие явления. Эти законы блестяще работают и в химии.
Однако происходит это не всегда. На самом деле закон сохранения массы может не работать.
На Большом электрон-позитронном коллайдере (БЭПК, Large Electron-Positron Collider, LEP), который на протяжении 1990-х годов работал в лаборатории ЦЕРН близ Женевы, электроны и позитроны (антиэлектроны) разгонялись до скоростей, на одну стомиллиардную (10–11) меньше скорости света. После того как разгонявшиеся в противоположных направлениях частицы врезались друг в друга, оставалось множество осколков. В результате типичного столкновения могло получиться 10 π−мезонов (пи-мезонов, пионов), протон и антипротон. Теперь сравним общую массу до и после:
электрон + позитрон: 2 × 10–28 граммов;
10 пионов + протон + антипротон: 6 × 10–24 граммов.
То, что получается в результате, весит примерно в 30 000 раз больше того, что было до столкновения. Ого!
Не многие законы когда-либо казались более фундаментальными, успешными и тщательно проверенными, чем закон сохранения массы. Тем не менее в данном случае он совершенно не подтверждается. Это похоже на то, как волшебник бросает в свою шляпу две горошины и вытаскивает из нее несколько десятков кроликов. Однако Мать-природа — не дешевый обманщик; ее «магия» представляет собой глубокую истину. Нам предстоит кое-что прояснить.
Имеет ли масса происхождение?
Пока считалось, что масса сохраняется, не было смысла спрашивать о ее происхождении. Она всегда неизменна. Точно так же вы могли бы спросить о происхождении числа 42. (На самом деле на этот вопрос существует своего рода ответ. Если масса сохраняется во всех случаях, за исключением тех, когда Бог создает элементарные частицы, то Бог является источником массы. Таков был ответ Ньютона. Однако это не тот тип объяснения, которого мы будем придерживаться в данной книге.)
В рамках классической механики ни один ответ на вопрос: «Откуда берется масса?» — не имеет смысла. Пытаясь получить массивные объекты из безмассовых, мы неизменно сталкиваемся с противоречиями. Это можно увидеть по-разному. Например:
• основа классической механики, уравнение F = ma, описывает отношение динамической концепции силы (F), суммирующей все ощущаемые телом воздействия, и кинематической концепции ускорения (a), которое определяет, как движется это тело в результате данных воздействий. Масса (m) является связующим звеном между этими двумя концепциями. В ответ на действие данной силы тело с малой массой будет набирать скорость быстрее, чем тело с большой массой. Тело нулевой массы сошло бы с ума! Чтобы понять, как оно должно двигаться, пришлось бы делить на ноль, что считается недопустимым. Поэтому для начала телу лучше бы иметь какую-то массу;
• в соответствии с ньютоновским законом тяготения каждое тело производит гравитационное воздействие, пропорциональное его массе. Пытаясь представить себе, что тело с ненулевой массой может состоять из не имеющих массы строительных блоков, вы приходите к противоречию. Гравитационное действие каждого строительного блока равно нулю, и неважно, сколько раз вы добавляете ноль к нулю, — вы все равно получите нулевое действие.
Но если масса не сохраняется — а она не сохраняется! — мы можем поискать ее источник. Это еще не основа. Мы можем копнуть глубже.