E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира
Шрифт:
Эйнштейн обнаружил источник энергии там, где никто его попросту не искал. Источник, скрытый в самом веществе.
Глава 4. m — это масса
В течение долгого времени с концепцией массы происходило примерно то же, что и с концепцией энергии до того, как Фарадей и иные ученые девятнадцатого столетия завершили свою работу. Людей окружало вещество самое разное — лед, камень, ржавое железо, — однако оставалось неясным, как они связаны друг с другом, если связаны вообще.
В наличие некой великой связи между ними ученым помогало верить то, что в 1600-е годы Исаак Ньютон сумел доказать: все планеты, луны и кометы, какие мы наблюдаем, можно описать как детали некоей созданной Богом огромной машины. Единственная
Для того, чтобы установить применимость начертанной Ньютоном великой картины к нашей грешной Земле, — то есть показать, что различные типы вещества, нас окружающего, воистину взаимосвязаны и весьма основательно, потребовался человек, обладавший приверженностью к дотошной точности, готовый тратить время на промеры даже крошечных изменений весов и размеров. К тому же, он должен был обладать романтичностью, достаточной для того, чтобы вдохновиться грандиозной картиной Ньютона, — иначе с чего бы он стал изыскивать лишь смутно подозреваемые связи между любыми видами материи?
Вот это странное сочетание — откупщик с душой, способной воспарять в небеса, — можно считать точным портретом Антуана Лорана Лавуазье. Именно он, и никто иной, был человеком, впервые показавшим, что все по-видимому различные куски дерева, камня и железа, какие только есть на земле — все обладатели «массы» — являются, на самом деле, частями единого целого.
Присущий ему романтизм Лавуазье продемонстрировал в 1771 году, когда спас тринадцатилетнюю дочь своего старого друга Жака Польза от вынужденного брака с неотесанным, угрюмым, но при этом устрашающе богатым человеком. Причина, по которой он знал Польза достаточно хорошо для того, чтобы прийти на помощь его дочери, Мари Анне, состояла в том, что Польза был его начальником. А спас он Мари Анну способом довольно простым — взял да и женился на ней сам.
Брак их оказался очень удачным, несмотря на разницу в возрасте и на то, что вскоре после того, как красивый двадцативосьмилетний Лавуазье спас Мари Анну, ему пришлось с головой уйти в ошеломительно скучную финансовую работу, которую он исполнял для Польза в организации, именовавшейся «Генеральным откупом».
Откупаться там ни от кого особенно не приходилось, организация эта занималась, почти монопольно, сбором налогов для правительства Людовика XVI. Суммы, которые откупщики собирали сверх требуемых правительством, они могли оставлять себе. Занятие это было исключительно прибыльным, но так же и исключительно безнравственным, в течение многих лет привлекавшим стариков, достаточно богатых, чтобы купить соответственную должность, но не способных к сколько-нибудь дотошному ведению учета или наведению организационного порядка. Работа Лавуазье как раз и состояла в том, чтобы поддерживать в рабочем состоянии эту огромную систему, в которой перемешивались, словно мутовкой, налоги.
Этим он и занимался в течение примерно двадцати следующих лет, понуро сгибаясь над письменным столом все долгие рабочие часы по шесть дней в неделю. Только в остававшееся свободным время — два часа поутру, а затем весь выходной, — и мог он предаваться научным занятиям. И этот единственный день недели он называл « jour de bonheur» — «днем счастья».
Не всякий, возможно, сможет понять, в чем это «счастье» состояло. Опыты, которые ставил Лавуазье, нередко напоминали обычную его бухгалтерскую работу, разве что времени отнимали гораздо больше. И тем не менее, настал момент, когда Антуан с неразумным восторгом, которым славятся юные любовники, сказал своей молодой жене, что она может помочь ему в постановке опыта, по-настоящему важного. Он собирался последить за медленно сгорающим или просто ржавеющим куском металла и выяснить, станет ли тот в итоге весить меньше или же больше.
(Прежде, чем двигаться дальше, читателю стоило бы попробовать догадаться, что произойдет с ржавеющей железкой — представьте себе старое крыло или низ вашего автомобиля, — сколько он будет весить, когда проржавеет -
а)
б) столько же,
в) больше,
— чем прежде? Запомните ваш ответ.)
Большинство людей, наверное, скажет — даже сегодня, — что весить она будет меньше. Однако Лавуазье, будучи сухим бухгалтером, ничего на веру не принимал. Он построил полностью герметичный аппарат и установил его в особой гостиной своего дома. Молодая жена помогала ему — в техническом черчении она была сильнее мужа да и в английском языке тоже. (Что впоследствии, когда началось соперничество с учеными, работавшими по другую сторону «Канала», и пригодилось.)
Они помещали в занимавший всю гостиную аппарат самые разные металлы, по возможности герметично закрывали его и нагревали, а то и разжигали под ним огонь, чтобы ускорить коррозию. А когда аппарат остывал, доставали из него повредившийся, или заржавевший, или обгоревший металл и взвешивали, аккуратно промеряя также количество истекшего — возможно — из аппарата воздуха.
Всякий раз результат у них получался один и тот же. В современных понятиях, они обнаружили, что проржавевший образчик металла не теряет веса. Он даже не сохраняет вес прежний. Он становится тяжелее.
Результат получился неожиданный. Приращение веса происходило не за счет пыли или чешуек металла, осыпавшегося с самого аппарата, — Лавуазье и его жена ставили свои опыты очень тщательно. В происходившем участвовал, скорее, воздух: то, чем мы дышим, состоящее из различных газов. Некоторые из них, надо полагать, оседали на металл и впитывались им. Это и объясняло обнаруженное Лавуазье прибавление веса.
Что происходило на самом деле? Общее количество вещества оставалось прежним, однако кислород, бывший одним из овевавших металл газов, покидал воздух. Но при этом он не исчезал. Он просто связывался металлом. Измерьте вес воздуха, и вы обнаружите, что он уменьшился. Измерьте вес металла и вы увидите, что он возрос — ровно на столько же, насколько убавился вес воздуха.
С помощью своего скрупулезно-дотошного механизма взвешивания Лавуазье показал, что материя может переходить из одной формы в другую, но при этом она и не исчезает, и не возникает. То было одним из важнейших открытий 17 столетия, стоявшим на одном уровне с пониманием энергии, на полвека позже достигнутым Фарадеем в подвале «Королевского института». И в этом случае все выглядело так, точно Бог, создавая вселенную, сказал: я собираюсь снабдить царство мое определенным количеством массы, я позволю звездам расти и взрываться, я позволю горам зарождаться, и сталкиваться, и изнашиваться под воздействием ветра и льда, я позволю металлам ржаветь и рассыпаться. И все-таки, полное количество массы в моей вселенной никогда не изменится и на миллионную долю грамма, никогда, даже если вы прождете целую вечность. Если вы взвесите город, а после его разрушат осаждающие, и дома его сгорят в пожаре, и если затем вы соберете весь дым, и пепел, и обломки бастионов, и уцелевшие кирпичи и взвесите это, изменений начального веса не будет. Ничто не исчезнет по-настоящему, даже вес мельчайшей пылинки.
Заявление о том, что все физические объекты обладают свойством, которое именуется «массой» и непосредственно воздействует на характер их движения, произвело сильное впечатление, хоть Ньютон и говорил о том же еще под конец 1600-х. Однако собрать достаточное количество детальных данных, позволяющих точно показать, как могут комбинироваться и разделяться частицы этих объектов? Именно этот следующий шаг и сделал теперь Лавуазье.
Всякий раз, как ученые Франции совершали открытия подобного уровня, правительство приближало их к себе. Случилось это и с Лавуазье. Можно ли использовать кислород, природу которого он помог прояснить, для построения более производительных доменных печей? Лавуазье был членом Академии наук и теперь получил средства, которые позволяли выяснить это. Можно ли использовать водород, который он посредством тщательных измерений выделил из воздуха, для поддержки флотилии воздушных шаров, способной оспорить превосходство Британии в воздушном пространстве? Лавуазье получил субсидии и контракты и на это.