«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Масса движущегося фотона

Между массой и энергией есть прямая связь!

Накапливая эти неизбежные выводы, мы словно бы забыли о фотоне, с которого все началось. Но теперь, взглянув на него новыми глазами, мы окунемся в новые сомнения, которые могут показаться совсем уж безысходными.

Сомнение первое... Фотон материален, а между тем летит со скоростью света. Предел, недостижимый для других материальных частиц, оказывается достижимым для частицы света! Что же она такое в отличие от иных физических тел — в отличие от ракет или протонов?

Конечно, масса движущегося фотона не становится бесконечной оттого, что он мчится со световою скоростью. Иначе он не мог бы существовать и в движении.

Его массу в движении очень легко установить: ведь по своей физической природе частица света — это квант излучения, или порция электромагнитной энергии. Закон Е=М-С2 тотчас позволяет узнать массу этой порции, так же как прибавку в весе у больного, разметавшегося в жару, так же как массу любого количества любой энергии: надо только величину кванта Е разделить на С2.

И вот получается, что квант или фотон фиолетового света в 150 тысяч раз легче покоящегося электрона — легчайшей из крупиц вещества. А фотон красного света еще в два раза легче фиолетового кванта. Помните, Ньютон думал совсем другое: он полагал, что корпускулы красного конца солнечного спектра — самые большие, а фиолетового конца — самые малые. У него не могло быть (никакого представления о подлинной природе корпускул света. Но то, чего уж и вовсе не мог бы вообразить Ньютон, так это будущей предательской роли световых частиц по отношению к его, ньютоновой, механике.

Возродившись через двести лет в виде квантов-фотонов, световые корпускулы возглавили вместе с электронами бунт элементарных частиц и атомов против старых законов движения и взаимодействия материальных тел. Они сразу вошли в подчинение законам Эйнштейна, а потом потребовали еще и создания новой механики — квантовой. (Об ее идеях — речь впереди, во второй части книги.) А сегодня им уже и этого, кажется, мало!

Так вот — о массе движущегося фотона...

Хоть она и ничтожна, но перегружена загадками.

Протоны в Дубне, прежде чем пуститься в свои 25 кругосветных путешествий по камере ускорителя, покоятся. Точнее, лениво расхаживают с малыми тепловыми скоростями по камере водородного источника (вы помните, конечно, что протоны — это просто ядра водорода). Понижая температуру, их можно заставить совсем замедлить движение — их можно остановить. Иными словами, у них и в покое есть реальная масса. Им есть что удесятерять по мере ускорения, когда энергия их движения начинает постепенно нарастать до 10 миллиардов электроновольт. И у космической ракеты есть реальная масса покоя — ее можно легко определить на весах перед началом рейса. Ракете тоже есть что увеличивать в пути.

А у фотона ничего этого нет. Так и просятся на язык слова сочувствия: «Посмотрите, ему сейчас отправляться в дальнюю дорогу с сумасшедшей скоростью в 300 тысяч километров в секунду, а он еще не запасся никакою массой!» Действительно, даже за мгновение до старта фотона еще не существует—«не на что смотреть»: его масса покоя равна нулю.

Как же накапливает фотон свою массу движения? Да и годится ли здесь слово «накапливает»? Накопление — дело постепенное, а фотон вначале был ничто — нуль. Ускорять ничто нельзя — нуль нельзя ни удваивать, ни удесятерять, все равно он останется нулем. Как же возникает масса движущегося фотона?

Остается предположить только одно: фотон сразу приобретает всю свою массу — скачком! Он не разгоняется постепенно, а с момента рождения обладает всей своей скоростью — всей своей энергией.

Вообразим на минуту, что источник света излучил фотон- недоделку: все хорошо, только скорость его меньше световой. Он уже излучен — уже существует, то есть у него уже есть масса, эквивалентная его энергии, а скорости своих собратьев он еще не набрал. И вот он начинает каким-нибудь способом тянуться за ними. Тщетно! Скорости света он уже никогда не наберет. Чем больше он будет стараться, тем Дольше будет становиться его масса, при скорости 260 тысяч километров в секунду она удвоится, при скорости дубенских протонов — более чем удесятерится, а при скорости, в точности равной световой, должна будет возрасти в бесконечное число раз, иначе говоря — эта скорость станет для него недостижимой. Воображаемый фотон-уродец уже никогда не смог бы сделаться настоящим фотоном: световой частицей. Оттого таких уродцев и не может излучить никакой источник — они не были бы электромагнитным излучением.

Поразительные создания эти фотоны! Другая скорость, чем 300 тысяч километров в секунду, для них невозможна, когда они летят через пространство, свободное от вещества. Они появляются из источника излучения, как мальки живородящих рыб: совсем готовенькие, оформившиеся до конца. Их энергия-масса не нуждается в постепенном росте, они не должны переживать медленного детства, для них словно не существует времени: в самый момент возникновения они обретают все, чем могут вообще обладать. Мы только что пожалели их, а они, оказывается, неслыханные удачники.

В такой исключительности фотонов виновата именно их нулевая масса покоя. Надо ли повторять это снова и снова?.. Но как могли ученые измерить то, чего не существует? Как умудрились они взвесить покоящиеся кванты излучения, если таковых не бывает?.. Все дело в том, что ученые шли не тем путем, какой обрисован здесь, а путем обратным: мы приняли за опытный факт то, что Эйнштейн получил как теоретический вывод. Но зато мы обошлись без всякой математики, без трудных абстрактных понятий. (Вроде «инвариантности законов природы относительно инерциальных систем координат» и других пугающих ученостей.)

Пожалуй, первое сомнение рассеялось: хотя фотоны и летят с предельной скоростью, они не становятся от этого бесконечно «тяжелыми» — не накапливают беспредельной массы. Это возможно только потому, что они ее вообще не накапливают, как и не накапливают скорости, а прямо рождаются и начинают существовать с этой предельной скоростью и никакой другой обладать не могут. Никакой! Вся их- масса одного происхождения — это масса того сгусточка электромагнитной энергии, каким является квант излучения.

Сразу приходит в голову довольно естественная мысль: так не значит ли это, что фотона нельзя не только остановить, но и затормозить, раз он по природе своей не умеет двигаться иначе, как с одной и той же скоростью? Нет, почему же: можно. Но только ценою его гибели...

Гибели?! А это как понять? Материя не уничтожима. Погибая, фотон должен кому-то завещать свою массу-энергию— все свое материальное достояние. Кто же его наследники?

Ученые узнали об этом, когда извилистая дорога познания привела их к исследованию таких волнующих воображение микрособытий, как рождение элементарных частиц и античастиц, к обсуждению таких удивительных вопросов, как вопрос о существовании антивещества и антимиров... Впрочем, это лежит пока за пределами нашего рассказа.

А нам надо попробовать распутать еще два сомнения, пожалуй, более тяжких, чем первое; наверное, самых тяжких для человека прошлого столетия, да, впрочем, и нынешнего тоже.