«Камень преткновения» в физике!

Виталий Новицкий

Признание эквивалентности массы и энергии, ставшее чуть ли не главным тезисом физики XX века, не только стимулировало ее развитие, но и породило немало проблем. Это осознал уже сам автор формулы Е = mc² Альберт Эйнштейн. Принцип эквивалентности, отметил он однажды, делает искусственным деление физической реальности на вещество и поле. Почему бы ни принять за первичное вторую из этих двух сущностей, спрашивал он далее, ведь построить современную физику на основе одного только понятия вещества все равно нельзя. И дальше интуиция Эйнштейна подсказывает ему такую картину:

«То, что действует на наши чувства в виде вещества, есть на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно... С этой точки зрения брошенный камень есть изменяющееся поле, в котором состояние наибольшей интенсивности поля перемещается в пространстве со скоростью камня».

Программа построения новой физики, выраженная в приведенных словах, по сей день остается невыполненной. А «камнем преткновения» для теоретиков стала фундаментальная характеристика вещества, именуемая массой. В спорах о природе гравитации, о массе инертной и тяготеющей нередко ускользает физический смысл выдвигаемых теорий, а реальный мир все больше вытесняется математическими моделями. Не нужно особого глубокомыслия, чтобы понять: подлинные теоретические сложности и принципиальные моменты – не в наращивании оборотов у жерновов математической «мельницы», а в анализе ныне принятых измерительных процедур. Путь к сокращению числа первичных физических сущностей пролегает через методологию выбора основных единиц измерения. Как только масса будет выражена не в килограммах, введенных в оборот из сугубо практических соображений, а в других, чисто «полевых» единицах, дело сдвинется с мертвой точки. Вопрос же о природе первичной материи возвращает нас в далекое прошлое науки и как бы уравнивает нас в этом пункте с древнегреческими философами. Или, как ни покажется неожиданным, с пришельцами из других миров, которые снарядили экспедицию к Земле, не зная ее параметров во всех подробностях.

Цель такого уподобления, надеюсь, понятна. Когда речь идет о физической теории, лучше вырваться из плена многовековых напластований ранее добытых знаний, посмотреть свежим взглядом на давно знакомые вещи.

Итак, вообразим себя инопланетянами. Еще приближаясь к Земле, мы смогли бы определить ее средний радиус (6,371·10⁶ м). Побывав на полюсе, где отсутствуют вызываемые вращением планеты центробежные эффекты, мы определили бы ускорение свободного падения в этой точке (9,832 м/с² ). Исследования планеты дадут нам общую зависимость ускорения свободного падения или, что то же самое, напряженности гравитационного поля, от расстояния до центра Земли. То будет закон обратной квадратичной пропорциональности с некоторым постоянным коэффициентом К. Знание двух ранее измеренных величин позволит нам вычислить его значение: 3,991·10¹⁴ м³ /с² .

Можно приступать к анализу полученных немногих, но важных результатов. Во-первых, коэффициент К, входящий в найденную зависимость, выражен только в единицах длины и времени, то есть в LT-системс единиц. Сама же размерность – третья степень единицы длины, деленная на вторую степень единицы времени, – характеризует изменение (динамическую функцию) некоего объема. Поскольку мы исследовали гравитационное поле Земли, то логично предположить: перед нами постоянная для планеты величина, выраженная в динамической функции объемов гравитационного поля.

Но было бы интересным делом уяснить физический смысл этой величины в земных понятиях. Отправившись в научную библиотеку землян, мы, инопланетяне, обнаружили бы в написанных людьми книгах по физике только одну постоянную величину с признаками аналогичной размерности – так называемую постоянную Кавендиша 6,672·10^–11 м³ /кг·с² .

Присутствие в ней размерности «килограмм» отражает принятую у землян единицу измерения массы. Но мы обладаем своей интерпретацией величин с размерностью длины и времени. Поэтому постоянную Кавендиша можем истолковать так:

6,672·10^–11 м³ /с² динамического процесса гравитационного поля приходятся на 1 кг условной единицы массы, принятой землянами как эталон. И тут мы, инопланетяне, не удержались бы от искушения порекомендовать землянам рассматривать массу в соотношении:

или в обратной зависимости:

У кого-то «логика пришельцев», которой мы воспользовались для того, чтобы найти кратчайший путь к зависимостям (1) и (2), возможно, вызовет чувство протеста. Еще бы, масса тел оказалась выраженной через метры и секунды. Это уж слишком! Но не будем спешить с выводами.

Начнем с элементарного. Зависимость (2) мы можем подставить в найденное выше значение постоянной К. Подстановка даст величину 5,981·10²⁴ кг – массу Земли, выраженную в килограммах. В действительности она такая и есть (в пределах принятой нами точности), что позволяет считать «логику пришельцев» не столь уж абсурдной