"Хочешь похудеть - спроси меня как!" Я все-таки не устаю удивляться, сколько вещей мы принимаем "как есть", даже не задумываясь о том, что под ними лежит. Вот например самое известное уравнение физики - E=mc^2, суть которого мало кто массово понимает. Как я обнаружил, и я не понимал, несмотря на физфак в анамнезе. Оно говорит о том, что есть какая-то связь между массой и энергией. Например, в одном килограмме массы (любой) содержится примерно 90 миллионов гигаджоулей. Сколько это? Мощность Красноярской ГЭС, плюс минус топ-5 в мире - 6 гигаватт. От нее работает пара алюминиевых заводов и пол большого города. Энергию, содержащуюся в 1 килограмме массы, Красноярская ГЭС генерирует в течение 6 месяцев. То есть, это какое-то совершенно безумное количество.
Но что это вообще значит? Можем ли мы эту энергию достать? И что такое вообще масса и энергия? Откуда она берется? Одно конвертируется в другое или что вообще происходит? И вот тут открывается куча удивительных вещей - по крайней мере, они были удивительными для меня.
Что такое масса? Из повседневного опыта это - мера инерции. Чтобы сдвинуть с места более массивное тело нам нужно приложить пропорционально большую силу. Это работает даже в космосе, в отсутствие трения - чтобы оттолкнуть от себя Эйнштейна в скафандре, вам придется затратить куда большие усилия, чем выбросить, например, карандаш. Кроме этого, масса создает гравитацию и притягивается к другим массам - в ньютоновской логике - либо искривляет пространство-время, что приводит к тем же наблюдаемым результатам, но в логике Эйнштейна.
Но откуда масса берется? Почему так происходит, что более массивные объекты сильнее искривляют пространство и нам приходится больше сил прилагать, чтобы их сдвинуть?
Если вы интересуетесь устройством мира и физикой, то наверняка слышали про бозон Хиггса, который неким магическим образом "создает массу". Типа, "частицы летят, а поле Хиггса создает как бы вязкий сироп, и из-за этого мы получаем ощущение сопротивления воспринимаемое как масса". Так вот, забудьте - во-первых, это совершенно неверное объяснение, а во вторых поле Хиггса не имеет никакого отношения к тому, почему под моим весом вчера сломалась табуретка.
Подавляющая часть массы наблюдаемых нами повседневных объектов - это масса атомных ядер. Масса протона и нейтрона в 2000 раз выше массы электрона. Однако, если помните, и нейтрон, и протон - это три кварка, связанные глюонами сильного взаимодействия. И вот тут начинается проблема. Масса протона - в 100 раз больше массы 3х кварков. У глюонов массы нет. Откуда берётся остальные 99%?
То есть это что же получается, из моих 90кг масса собственно частиц материи - это 1кг, а остальные 89 то блин откуда? Я может хочу порхать как бабочка!
И вот здесь всплывает E=mc^2. Получается, что масса не "конвертируется" в энергию или наоборот. Это уравнение нужно читать совершенно буквально: энергия - это и есть масса. Нет никакого отдельного понятия "масса". Это просто - энергия. И 89кг моей массы берутся из энергии связывания кварков сильным взаимодействием. Кварки внутри протона соединены глюонами примерно как шарики растянутой пружиной. В растянутой пружине есть энергия - если ее порвать, остатки пружины сожмутся и больно ударят мне по пальцам. У этой энергии - тоже есть масса.
Хотите еще удивительный факт? Если вы возьмете ровно 1кг льда и растопите его на очень точных весах - вы получите не 1кг воды, а 1кг плюс 334 килоджоуля, которые вы потратили на таяние, поделить на скорость света в квадрате. Это будут какие-то нанограммы - но масса увеличится, хотя количество молекул воды у вас осталось абсолютно то же! Просто они стали колебаться чуть сильнее - и весы это регистрируют как массу.
Энергия и есть масса.
Другой пример - если бы у нас был непроницаемый очень прочный ящик, и мы бы внутри него взорвали атомную бомбу, пока ящик стоит на весах - его масса бы не изменилась. Несмотря на то, что там несколько сот граммов "массы" перешло в чистую энергию (безмассовые фотоны).
Не знаю как вам, а мне, несмотря на физфак (в чем вопросы к образованию кстати не только школьному, но и университетскому), настоящее осознание смысла E=mc^2 было еще одним удивительным открытием.
Как эту энергию достать?
При атомном взрыве в энергию конвертируется примерно 3% массы. При термоядерном - примерно 7%. То есть, в самом разрушительном и чудовищном доступном человечеству процессе, 93% массы остается нетронутой - как раз потому, что она вся возникает из-за энергии внутри протона и нейтрона. В энергию при ядерном взрыве конвертируется "масса" связанная с энергией связи между протонами и нейтронами в ядре. То, что внутри - нам недоступно.
И хорошо.
Про Хиггса в один из следующих разов - но он как раз дает массу частицам, которые мы считаем элементарными - электроны, кварки, бозоны слабого взаимодействия итп. У которых никакой внутренней энергии скорее всего нет. Но за наше разочарование по утрам при взгляде на весы отвечает вовсе не он)
