§ 1.16 Аннигиляция и эквивалентность массы и энергии

§ 1.16 Аннигиляция и эквивалентность массы и энергии

Тело вещей до тех пор нерушимо, пока не столкнётся

С силой, которая их сочетанье способна разрушить.

Так что, мы видим, отнюдь не в ничто превращаются вещи,

Но разлагаются все на тела основные обратно…

….Словом, не гибнет ничто, как будто совсем погибая,

Так как природа всегда возрождает одно из другого

И ничему не даёт без смерти другого родиться.

Тит Лукреций Кар, "О природе вещей" [77]

Теория относительности посягнула не только на закон сохранения массы, но и на доставшийся дорогой ценой закон сохранения энергии: согласно СТО масса m и энергия E могут исчезать и появляться. При этом, в СТО масса эквивалентна энергии, и, хотя по отдельности они не сохраняются, работает закон сохранения некой масс-энергии, выражаемый известной формулой E=mc². Таким образом, рассмотренные выше эксперименты, в которых отмечался рост масс частиц с увеличением их скорости, означали, согласно СТО, что энергия, затраченная на ускорение частицы, шла не только на увеличение её скорости, но и на увеличение её массы: масса и энергия частицы росли одновременно. Такая эквивалентность массы и энергии тоже, как будто, находит подтверждение в опытах. Это не только опыты по "увеличению" масс частиц с ростом их скорости, но и ядерные эксперименты. Так, при распаде радиоактивных изотопов было обнаружено, что суммарная масса исходных реагентов m₁ ядерной реакции не равна общей массе m₂ продуктов реакции. Уменьшение массы ?m=m₁-m₂ реагентов (это изменение ?m называют дефектом массы) сопровождается выделением энергии, величина которой E отвечает соотношению E=?mc² теории относительности. И, наоборот, увеличение массы продуктов, в сравнении с массой реагентов, — требует затраты соответствующей энергии.

Это взаимопревращение массы и энергии приводят в качестве одного из важнейших подтверждений теории относительности. Со школы нас учат, что, если бы СТО была ошибочна, то не могли бы работать ни ускорители частиц, ни атомные электростанции, не рвались бы ядерные бомбы. Однако, сторонники теории относительности кривят душой. Ведь в ядерных реакциях выделяется, на самом деле, лишь скрытая внутренняя энергия связи частиц — нуклонов в ядре. Почему эта энергия соответствует изменению массы — это другой вопрос, который разберём отдельно (§ 3.13). Но то, что выделившаяся энергия — это лишь внутренняя энергия связи частиц, не подлежит сомнению и, в общем-то, даже не оспаривается. Поэтому, утверждать, будто открытие ядерных реакций распада и выделение энергии в ядерных реакторах и ядерных бомбах было невозможно без теории относительности, это всё равно, как полагать, будто выделение энергии в обычных химических реакциях и в печах, при взрыве обычных бомб, — тоже чем-то обязано теории относительности. В ядерных и химических реакциях происходит по сути одно и то же: выделение или поглощение скрытой энергии связи при соединении или делении ядер и молекул. Не случайно Резерфорд (учёный, открывший атомное ядро и ядерные реакции) на вопрос о его мнении по поводу теории относительности, ответил, что для ядерных исследований она не нужна, и здравый смысл не позволяет ему рассматривать эту теорию всерьёз.

Чтобы обосновать это утверждение, рассмотрим реакцию аннигиляции электрона и позитрона, в которой масса этих двух частиц якобы бесследно исчезает, полностью переходя в энергию. Судя по всему, аннигиляция — это не просто столкновение позитрона с электроном, как обычно представляют, а более сложный процесс. Позитрон может находиться довольно далеко от электрона, но за счёт притяжения два заряда станут сближаться, набирая скорости, которые не дадут им столкнуться, а вынудят закрутиться один возле другого. Из-за огромной скорости вращения витки орбиты быстро сужаются: энергия частиц уходит в их излучение (Рис. 42). Это и есть аннигиляционное гамма-излучение, происходящее с огромной частотой обращения зарядов. Излучение длится до тех пор, пока электрон не сблизится с позитроном до расстояния классического радиуса r электрона, что происходит очень скоро. Далее частицы не сближаются и не излучают. Поэтому выделенная ими энергия аннигиляции 2mc², как показал В. Мантуров [79], это не энергия уничтожения их массы m, а электрическая энергия (потенциальная энергия поля), высвобождаемая при сближении частиц до расстояния r.

Выходит, при контакте (аннигиляции) электрон с позитроном не исчезают, как иногда считают, а лишь образуют трудноуловимую нейтральную частицу, которая не регистрируется приборами. Ведь не считаем же мы, что электрон исчезает при столкновении с положительным ионом. Они лишь составляют нейтральный атом в акте рекомбинации, который тоже, иногда, условно называют "гибелью электрона". Энергия Е=2mc², образуемая при аннигиляции, — это не энергия уничтожения масс m электрона и позитрона, а суммарная энергия их электрического поля 2U=2e²/4??₀r=2mc², выделившаяся в виде гамма-излучения при схождении частиц по спирали (Рис. 42): с бесконечности до классического радиуса электрона r=e²/4??₀mc², поскольку частицы, условно изображаемые жёсткими шариками радиуса r, ближе сойтись не могут. Если б масса исчезала, то, по Эйнштейну, выделялось бы ещё столько же энергии, чего реально не наблюдают. Это доказывает ложность тезиса об уничтожении массы и обращении её в энергию.

Рис. 42. Процесс аннигиляции электрона и позитрона с их быстрым слётом по спирали, вплоть до слияния в нейтральную частицу с выделением энергии поля в виде гамма-излучения.

Таким образом, при аннигиляции процесс излучения, как любой колебательный процесс, растянут во времени, то есть непрерывен и имеет классический характер. Поэтому аннигиляция порождает сферическую волну, а не пару гамма-квантов, летящих в противоположных направлениях. Впрочем, максимумы излучения этих сферических волн крутящимися зарядами и впрямь направлены, как у турникетной антенны, диаметрально противоположно: по оси вращения вверх и вниз от плоскости орбиты электрона и позитрона (плоскости турникета). Аналогично, и рождение электрон-позитронных пар, под действием гамма-излучения, ничуть не доказывает превращения энергии в массу. Происходит лишь вырывание излучением уже существующих электронов и позитронов, их отрыв друг от друга и от ядра, аналогичный явлению фотоэффекта (§ 4.6). Именно поэтому, рождение электрон-позитронных пар никогда не наблюдалось в вакууме, а идёт лишь при воздействии гамма-излучения на ядра атомов, содержащие электроны и позитроны [19, 139].

Неверное понимание ядерных процессов приводит к ложному подтверждению теории относительности и её формулы E=mc² (§ 3.17). Имеет место циклическое доказательство: неверно понятый на основе СТО механизм ядерных реакций, само собой, приводит к подтверждению именно этой теории. Однако, если до конца оставаться на позициях классической механики и БТР, то и в рамках этих теорий опыты находят естественное объяснение. При этом, удаётся обойтись без абсурдных эффектов изменения массы и превращения её в энергию. Закон сохранения массы, открытый атомистами античности, обоснованный Ломоносовым и переоткрытый Лавуазье [84], по-прежнему остаётся прочным и нерушимым фундаментом физики.

Итак, видим, что выделившаяся энергия — это всего лишь освобождённая потенциальная энергия связи электрона и позитрона, — энергия электрического поля, а, в конечном счёте, — кинетическая энергия реонов и ареонов, которыми обмениваются электрон с позитроном (§ 1.14). И, стало быть, нельзя говорить, будто энергия, выделяемая этой реакцией, образовалась из массы частиц, поскольку частицы и их масса никуда не исчезали. Они лишь образовали трудноуловимую нейтральную частицу. Поэтому, исчезновение массы в ядерных реакциях распада, вероятно, означает лишь, что при распаде возникают многочисленные нейтральные частицы-осколки, которые до сих пор не удавалось зарегистрировать. Подробное обоснование этого предположения дадим позднее (§ 3.13).

Интересно отметить, что формула E=mc² была изначально выведена ещё в XIX веке Дж. Томсоном, Пуанкаре, Лоренцем и Хевисайдом задолго до Эйнштейна, причём в рамках классической электродинамики, а не теории относительности [25, 61]. Эти учёные, в противовес Эйнштейну, хорошо осознавали специфический смысл данного соотношения, применимого исключительно к электродинамическим явлениям. Ведь из классической электродинамики следует, что электрон за счёт излучения сопротивлялся бы ускорению, даже не будь у него материальной массы (§ 1.17, § 3.18). Так что заряд электрона ведёт к появлению у него дополнительной инертности и массы, которую назвали электромагнитной. Легко показать, что эта масса m связана с электростатической энергией E взаимодействия частей электрона зависимостью E=mc². То есть, уже из классической физики следовало, что энергия, заключённая в теле, связана с его массой, особенно, если та целиком электромагнитной природы, что — естественно, если все тела, по гипотезе Томсона и Лоренца, образованы из электронов. Выходит, учёные знали соотношение E=mc² до Эйнштейна, и, в отличие от него, чётко понимали истинный смысл этой формулы и её применимость лишь к электромагнитным процессам. Ритц, как увидим ниже, ещё глубже раскрыл смысл этой формулы, поняв механизм рождения электромагнитной массы и установив, что масса m электрона, при её переходе в полевую, рассеянную форму в виде потока реонов, связана с их кинетической энергией (энергией поля, излучения), как E=mc², с точностью до коэффициента. Тем самым, он механически обосновал идею Пуанкаре о материальном, весомом носителе электромагнитного излучения (§ 1.2), которое несёт не только энергию E, но и массу m=E/c² [25].