1. Скорость как константа.

Е=мс². Перед нами знаменитая формула Эйнштейна, которую сейчас на майках пишут промышленными способами.

Она создана для уточнения «устаревшей» к началу XX века формулы из эпохи Ньютона и Лейбница, известной на триста лет ранее: Е=mv²\2.

Назовем её для удобства формулой Ньютона, без претензии на установление авторства.

Бросается в глаза внешняя схожесть этих выражений, но есть и различия, благодаря которым формулу Ньютона при желании может применить каждая домохозяйка, если захочет узнать, с какой энергией летит её утюг в сторону непутёвого мужа. Ей стоит лишь провести предварительные опыты для определения средней скорости утюга, и взвесить его перед броском.

Захотите вы поместить камень за пазуху или остановить коня на скаку, проведите предварительно теоретическую оценку энергии процесса, чтобы правильно рассчитать свои силы. Для этого вам понадобится именно формула Ньютона.

Формула Ньютона содержит в правой части две переменных величины, что позволяет с её помощью рассчитывать энергию движения любого тела, имеющего массу покоя, от атома до планеты или даже галактики. Совсем другое дело, формула Эйнштейна. Она содержит в правой части только одну переменную, которая имеет смысл массы.

2. Физический смысл понятия «кинетической энергии» фотона.

Вторая переменная физическая величина, которая обозначена у Ньютона v, и имеет смысл скорости тела, превратилась у Эйнштейна в константу с, т.е. постоянную величину, скорость распространения электромагнитной волны. Можно ли перемножать массу покоя одних частиц, на скорость не имеющих массы покоя других частиц - фотонов, нам пока не объяснили, возможно, эта операция вовсе не имеет физического смысла.

Формула Эйнштейна оказывается неприменимой к практическим расчётам энергии огромного количества физических тел, наблюдаемых нами в окружающем мире, и не имеющих скоростей, даже близких к скорости света. Её, после решения вопроса о физическом смысле операции умножения массы покоя на скорость фотонов, не имеющих массы покоя, можно использовать для расчета энергии процессов, результатом которых является только лучистый поток электромагнитных волн. Такой случай тоже бывает, но в условиях сложнейшего физического эксперимента на огромной лабораторной установке, заставляющей сталкиваться микрочастицы с противоположными зарядами.

В журналистике это именуется взаимодействием вещества с антивеществом. Поскольку антивещество присутствует в физических лабораториях в количестве считанных атомов, то и область практического применения формулы Эйнштейна ограничивается одним единственным, случаем: расчетом взаимодействия электрона с позитроном, что для домохозяйки уже явно не по плечу, да и не требуется почти никому такой расчет.

Предельный случай преобразования массы и энергии - полный переход всей массы в энергию. Это возможно, если частица сталкивается с античастицей, - например, электрон с позитроном. Частица и античастица при этом исчезают (аннигилируют), порождая фотоны. Так как фотон - безмассовая частица, суммарная масса частицы и античастицы целиком переходит в кинетическую энергию фотонов. Это реальный физический процесс, давно уже изученный не только теоретически, но и экспериментально, что особенно важно. В таких экспериментах формула Эйнштейна проверена и подтверждена со всей возможной точностью [1].

Отрадно, что вся возможная точность уже использована для проверок и подтверждений. Однако возникает наивный вопрос к автору данного оптимистического сообщения, как он кинетическую энергию безмассовых фотонов определяет, уж не по формуле ли Эйнштейна? Если так, то перед нами очередной мысленный эксперимент, утеха релятивиста, в котором имеет место элементарная тавтология. Постулируется утверждение в виде формулы Эйнштейна, а потом этим же утверждением пользуются, чтобы подтвердить свое право на такой постулат.

3. Атомный взрыв как доказательство.

Атомный взрыв, ближе всего подходящий для практического использования новейших формул 20 века, даёт в результате не только излучение электромагнитных волн, но и поток вещественных частиц, не имеющих скорости света, и, следовательно, не позволяющих применять формулу Эйнштейна для расчета энергии взрыва с точностью, которая могла бы соответствовать погрешностям в классических инженерных расчетах, основанных на формуле Ньютона.

Руководитель манхэттенского проекта генерал Гровс в своей книге специально остановился на проблеме точности теоретических расчетов, которая его, инженера, просто шокировала.

Я спросил, насколько точна их оценка количества делящегося материала, необходимого для создания одной бомбы. Я ожидал ответа: на 25—30 процентов, не более. Однако услышанное мною повергло меня в ужас. Ученые совершенно спокойно заявили, что, по их мнению, оценка верна с точностью до двух порядков, т. е. в пределах, отличающихся по величине в сто раз. Следовательно, если определенное ими количество плутония, необходимого для бомбы, равно 40 килограммам, то действительная цифра может лежать где-то между 4 и 400 килограммами. Трагедия такой неточности заключалась в том, что она исключала всякое разумное планирование производства делящихся материалов [2].

Совершенно естественным следствием такой «точности» расчетов были огромные затраты трудовых и материальных ресурсов на производство атомных бомб.

Среди сотрудников лаборатории имелась также группа ученых в основном европейского происхождения и, следовательно, ближе знакомых с промышленностью, чем их американские коллеги, которые считали, что всеми инженерно-проектными работами должны руководить они. Причем некоторые из них считали себя подготовленными даже для руководства строительством. Во время моих посещений лаборатории Комптона я неоднократно выслушивал предложения о выделении 50—100 инженеров и проектантов для обеспечения быстрого строительства плутониевого завода. Абсурдность этих предложений особенно очевидна, если вспомнить, что впоследствии на строительстве такого завода было занято до 45 тысяч человек и даже ресурсы такой компании, как «Дюпон», были на грани истощения, несмотря на громадную поддержку и помощь правительства США (там же).

Требования, предъявляемые к производственной площадке, сводились к следующему:

1) расход воды даже при условии ее повторного использования должен составлять около 100 кубических метров в минуту;

2) потребная электрическая мощность должна составлять около 100 тысяч киловатт;

3) зона опасного производства должна представлять прямоугольник размером 19х25 километров; (там же).

В своем первом докладе президенту Рузвельту в начале декабря 1942 г. Военно-политический комитет определил стоимость всего проекта в 400 миллионов долларов.

Стоимость сооружения завода за вычетом стоимости необходимого нам серебра, взятого взаймы в государственном казначействе, на 31 декабря 1946 г. составила 304 миллиона долларов. На научные исследования было истрачено 20, на сооружение — 6 и на эксплуатацию — 204 миллиона долларов. Только стоимость электроэнергии составила около 10 миллионов долларов (там же).

Отметим, что описанные Гровсом теоретические и производственные проблемы создания действующего образца атомной бомбы возникали и решались на фоне существования формулы Эйнштейна в течение более тридцати лет до описанных событий. Тем не менее, ни сам Эйнштейн, ни его знаменитая формула не сыграли заметной роли в истории реализации Манхэттенского проекта, подробно описанной Гровсом.

4. Хоттабыч как конкурент Белла.

Формула Эйнштейна относится к старинной формуле эпохи Лейбница и Ньютона точно так же, как красивый мраморный телефон конструкции старика Хоттабыча относится к простоватому черному эбонитовому телефону конструкции старика Белла.

Цельномраморным телефоном нельзя пользоваться в практической деятельности, подразумевающей использование телефона не только для целей украшения ландшафта, но и по прямому назначению, для связи, а во всём остальном у него одни преимущества перед неказистым пластмассовым аппаратом.

Формула, названная именем величайшего ученого всех времён и народов с явной претензией удивить эти самые народы, оказывается декоративной безделушкой для подавляющего большинства случаев, когда требуется практический расчет энергии движущегося материального тела.

При этом именно её используют в своём творчестве величайшие художники современности, когда хотят изобразить наглядно торжество человеческого гения.

Что же получается. Существует старинная формула, которую не рекламируют журналисты и художники, но применяют инженеры в практической деятельности. В то же время существует другая, современная формула, которая неприменима в практической инженерной деятельности из-за своей содержательной примитивности (содержит одну переменную вместо двух), но зато очень фотогенична и эмоционально привлекательна из-за упоминания света.

5. Академик Окунь требует прекратить обманывать.

Накопившиеся за время существования формулы Эйнштейна сомнения в её правомерности систематизированы в обзоре академика РАН Окуня Л.Б.:

Формула Е = тс² является, пожалуй, самой знаменитой формулой в мире. В сознании сотен миллионов людей она связана с устрашающим атомным оружием. В сознании миллионов она является символом теории относительности. Многочисленные популяризаторы науки убеждают своих читателей, слушателей и зрителей в том, что в согласии с этой формулой масса любого тела (любой частицы) возрастает с увеличением его скорости. И только немногие физики — специалисты в области физики элементарных частиц — знают, что истинная формула Эйнштейна — это Е₀ = тс², где Е₀ — энергия, содержащаяся в покоящемся теле, и что масса тела не зависит от скорости, с которой оно движется и, следовательно, не зависит от его кинетической энергии [3].

Окунь Л.Б. приводит основную причину, по которой формула Эйнштейна не имеет права на существование в её общеизвестном виде:

Большинство физиков, знакомых со специальной теорией относительности, знают, что в ней энергия Е и импульс р свободно движущегося тела связаны соотношением:

Е² — р²с² = м²с⁴ (1)

где м — масса тела. Однако не все они осознают, что эта формула несовместима с

Е = тс² (2)

К счастью, знакомство физиков с СТО вовсе не является обязательным условием для установления проблемы, дипломатично названной Л.Б. Окунем «несовместимостью» формулы Эйнштейна с выводами СТО. Достаточно знаний алгебры в объеме 5 класса средней школы, чтобы подставить вместо Е в левой части выражения (1) его значение согласно (2) и получить, силами среднего ученика указанного класса, замечательное выражение:

м²с⁴ — р²с² = м²с⁴ (3)

из которого следует, после сокращения левой и правой частей уравнения, что

— р²с² = 0 (4)

Это условие выполняется только для нулевого импульса, который в нашем суетливом мире ещё поискать. Естественно, случай перехода массы в энергию фотонов, движущихся довольно быстро, сюда не подходит.

Комментируя это печальное для формулы (2) обстоятельство, Л.Б.Окунь меланхолически отмечает:

Похоже, что Бог продолжает водить за нос истолкователей теории относительности до сих пор.

При этом добросовестный исследователь приводит достаточно убедительные данные о том, что к упомянутым истолкователям теории относительности, которых Бог продолжает водить за нос, следует отнести как самого Эйнштейна, его ученика Инфельда, так и некоторых других физиков мирового уровня популярности. Л.Б. Окунь отмечает:

Тем непонятней, почему в популярной брошюре Ландау и Румера «Что такое теория относительности» авторы предпочли для первого знакомства с теорией выбрать утверждение, что масса зависит от скорости и что это экспериментальный факт. В третьем издании брошюры, опубликованном в 1975 г. Ю.Б. Румер добавил "Странички воспоминаний о Л.Д. Ландау", где, в частности, привел шутливый отзыв о брошюре, который давал ей сам Ландау: "Два жулика уговаривают третьего, что за гривенник он может понять, что такое теория относительности".

Относительно Фейнмана и его взглядов Л.Б. Окунь задается вопросом:

Каким образом великий физик, давший нам язык фейнмановских диаграмм, мог положить в основу фейнмановских лекций понятие массы, зависящей от скорости?

Мы не будем пытаться ответить на этот риторический вопрос Л.Б. Окуня в терминах Ландау, оценившем свою роль в написании брошюры о теории относительности так категорично.

Свой обзор Окунь Л.Б. заканчивает патетическим призывом:

Пришла пора прекратить обманывать все новые поколения школьников и студентов, внушая им, что возрастание массы с увеличением скорости — это экспериментальный факт [4].

Отметим, что «обманом» академик Окунь называет утверждения многих мировых авторитетов в области физики XX века.

6. Реклама двигатель науки.

Приходим к выводу, что формула Эйнштейна может быть использована не для инженерных, а для рекламных целей, которые она позволяет достигать гораздо успешнее, чем формула Ньютона, в силу своей зрительной привлекательности.

В целом можно сделать вывод о том, что формула Эйнштейна служит не научным, а религиозным целям. Именно по этой причине её запрещено критиковать, и она является единственным математическим выражением, которое применяют художники в своей профессиональной деятельности, правда, в качестве декоративного элемента, на манер китайского иероглифа, смысл которого никого не интересует.

7. Шок и скотч.

Во второй статье [5] Л.Б.Окунь дает некоторые определения:

Масса пары фотонов летящих в одном направлении, М = 0. А это означает, что масса "игольного" пучка света равна нулю.

Однако если фотоны летят в противоположные стороны с одинаковыми энергиями, то в этом случае энергия покоя системы двух фотонов просто равна сумме их энергий, а масса такой системы

М=Е₀ = 2е

Шок. Разумеется, утверждение о том, что пара двух безмассовых частиц имеет огромную массу, может вызвать шок у неподготовленного читателя. Какой смысл имеет понятие энергия покоя для двух фотонов, каждому из которых "покой лишь только снится"? Что покоится в этом случае?

Ответ очевиден. Покоится центр инерции двух фотонов. Но если для одной покоящейся частицы энергия покоя — это энергия, скрытая в ее массе, то для двух фотонов — это просто сумма их энергий

Мысленный опыт Эйнштейна. Конечно, понятие массы системы двух разлетающихся фотонов весьма непривычно. Но именно с его помощью Эйнштейн в 1905 г. открыл энергию покоя массивного тела. Он заметил, что излучив "два количества света" в противоположные стороны, покоящееся тело остается в покое, но его масса в этом мысленном эксперименте уменьшается. В этом опыте как тело, так и центр инерции двух фотонов покоятся в лабораторной системе отсчета. Поэтому масса исходного тела равна сумме двух масс: конечного тела и системы двух фотонов.

Пережив шок, о котором предупреждает своего читателя академик Окунь, можно обратить внимание на детали вновь открывшейся взору релятивиста картины мироздания. Например, понятия «инерция фотона», масса «системы двух фотонов» явно требует некоторых дальнейших пояснений, ввиду отсутствия у фотона массы покоя.

Эксперимент Эйнштейна в наше время уже можно провести в лабораторных условиях.

Взять к примеру, электрический фонарик (желательно, китайского производства в целях экономии) и включить его. Свет излучается в одном направлении и масса света равна нулю. Взять другой фонарик, направить противоположно первому – то же самое. Но вот если слепить фонарики между собой скочем (тоже китайским) в единое покоящееся тело, излучающее «два количества света» в противоположные стороны, то масса покоящегося тела в этом случае уменьшается на массу системы фотонов, в точном соответствии с расчетами Л.Б.Окуня и теоретическим предсказанием А.Эйнштейна.

Кто бы мог подумать, что простой китайский скотч сыграет такую важную роль в управлении процессом обретения массы системами фотонов.

Поскольку описанный эксперимент однозначно подтверждает идеи Л.Б.Окуня, предлагаем назвать его экспериментом Окуня.

8. Возможный источник вдохновения.

Посмотрим источник, из которого могли быть почерпнуты идеи взаимного превращения массы в энергию электромагнитной волны. Это многочисленные труды московского физика Умова Николая Алексеевича.

Николай Алексеевич УМОВ (1846-1915)

В одной из своих работ (1897) Умов указывал:

"В умах современных теоретиков эта энергия (т. е. энергия электромагнитного поля излучения.- А. К.) облеклась новыми, непредвиденными свойствами. Мы привыкли отождествлять гравитационную массу тела с его инерцией. Современное учение о лучистой электромагнитной энергии, по-видимому, раскалывает такое представление. Излучаемая энергия является составной частью массы тела. Излучение света уменьшает эту массу. Энергия лучей Максвелла является эквивалентной массе, как теплота и механическая энергия, и коэффициент эквивалентности представляется квадратом скорости света. Излучение переносит массу от тела, излучающего к телу абсорбирующему[6].

Умов доказывает, что без промежуточной среды[7] не может иметь места взаимодействие, взаимосвязь между различными формами энергии, что вообще взаимодействие на расстояниях конечных между любыми агентами природы невозможно, если они не окружены промежуточной средой. Для того чтобы вскрыть суть любого взаимодействия, необходимо, с точки зрения Умова, детально исследовать среду (поле), в которой происходит данное взаимодействие. Промежуточная среда при этом трактуется им в широком смысле слова: в нее включаются магнитное, электрическое, гравитационное и другие поля[8].

Умовское представление о потенциальной энергии много лет спустя развивали, а часто просто повторяли в своих работах Г. Герц, Г. Гельмгольц, О. Лодж, Д. Д. Томсон и другие западноевропейские ученые. Следует заметить, что сам Умов незаслуженно скромно оценивал свои результаты. Он писал, например: «Я только сказал то, чего другие не договорили, но что подразумевали для случаев частных. Я это обобщил и вывел дальнейшие следствия... Мог бы сказать, что и у Гельмгольца тоже есть мои зловредные идейки, и я полагаю, что - и у Максвелла» (там же).

Следует заметить, что умовское определение луча позже было заимствовано Кирхгофом и применено при определении светового луча. Умов писал по этому поводу, что он "сообщил Кирхгофу свои идеи о движении энергии в телах, и не исключается возможность, что данное Кирхгофом определение луча было сделано им под влиянием сообщенных ему идей (там же).

В 1884 г. идеи русского ученого перенял и применил к электромагнитному полю английский физик Пойнтинг. Теорема Пойнтинга об электромагнитном потоке энергии является частным случаем более общей теоремы Умова о потоке любой формы энергии в любой среде (поле).

В 80-90-х годах, вслед за Умовым, проблемой движения и распределения энергии в средах из зарубежных физиков занимались также О. Лодж, Вилли Вин, О. Хевисайд, Густав Ми, П. Друде и др. Весьма характерно, что все они в своих работах даже не упоминают имени Умова, выдавая за родоначальника учения о движении и локализации энергии Пойнтинга. Между тем, все они были знакомы с трудами Умова, а некоторые из них (Лодж, Друде и др.) были даже лично знакомы с русским физиком и вели с ним оживленную переписку (там же).

Формулу Ньютона, так же как идеи Н.Умова, критиковать и уточнять позволено каждому, вот только трудное это дело, уточнить гения не дутого рекламой, а природного.

9. Критерий научного подхода.

Мы получили критерий, позволяющий каждому желающему определять, с информацией какого рода, научной или религиозной, он имеет дело при прочтении, скажем, популярного журнала. В одном из номеров «Компьютерры» опубликована статья, посвященная будням квантовых физиков. Они обсуждают эксперимент, для которого необходимо вывести в космос источник света, направить его на зеркало, расположенное в миллионе-другом километров и посмотреть, куда попадёт отраженный световой зайчик. Если туда, куда предскажут, это подтвердит существующую теорию, если отклонится на некоторое расстояние от предсказанной точки, теория будет уточнена.

Перед нами пример научного подхода, который подразумевает, что ученый работает ради получения крупиц истинного знания о мире, он не скрывает своей методики от коллег в надежде получить конструктивную благожелательную критику и всегда готов признать своё незнание, чтобы расширить круг знаний за счет налогоплательщиков, интересы которых пусть отстаивают те, кому это положено.

Такой ученый всегда готов уточнить свою теорию с учетом каждого миллиметра отклонения от расчетной точки, на расстоянии в миллион километров. Эти величины подчеркнуты для того, чтобы яснее стала ничтожность ошибки, которую ученый готов учесть, стремясь к идеалу.

Противоположную картину являют «научные» теории, которые «развивают» писатели, художники и популяризаторы. Эти люди работают по-крупному. Блох не ловят и миллиметров не уточняют. Они оперируют абсолютной истиной в последней инстанции, а несогласных изолируют от общества, как вредоносных вирусов.

Перед нами теории, которые являются религиозными концепциями. Носители этих концепций в доказательствах не нуждаются и сомнений не терпят. Они не являются учеными в смысле вечно сомневающихся в себе чудаков не от мира сего. Наоборот, люди это практичные, знающие, чего они хотят от материального мира и получающие желаемое. Это – члены любой иерархической структуры, для которых любая теория является не самодостаточной ценностью, как для ученого, а инструментом управления подданными, от слова «дань».

Яркой чертой сходства между деятелями современного релятивизма и религиозными фанатиками является показанное цитатами выше стремление разделять тексты учителей (Ландау, Фейнмана) на канонические и апокрифические, в зависимости от сиюминутного понимания «истины».

10. Проблемы понимания.

Чернин А.Д. отмечает наличие проблемы понимания физической природы массы:

Откуда берется масса у элементарных частиц, составляющих все тела природы? Почему эти массы столь различны, и, например, свободный электрон примерно в две тысячи раз легче свободного протона? На эти вопросы нет ответа. Проблема физической природы массы еще далеко не исчерпана; со времен Ньютона она была и остается едва ли не самой острой в фундаментальной физике[1] .

Тем более странен его вывод о массе как резервуаре энергии:

Свойство массы превращаться в энергию (и наоборот) не было известно в ньютоновской классической физике. Этот грандиозный резервуар энергии открыла в природе теория относительности (там же).

Грандиозный эксперимент по созданию атомной бомбы, описанный Гровсом, позволяет заметить, что пример атомной бомбы скорее противоречит такому убеждению, нежели подтверждает его. Если вспомнить о миллионах киловатт электрической энергии и миллионах человеко-часов, затраченных на производство критической массы урана, разрушившей в виде бомбы японский город, то следует сделать вывод в русле идей Н.Умова о том, что начинка бомбы послужила местом конденсирования потоков затраченной на её производство энергии, которая не содержалась в массе как таковой, изначально. Город можно было разрушить и без создания бомбы, только путем затрат тех же объемов энергии человеческого труда, без промежуточного этапа концентрации её в виде бомбы. Это обстоятельство еще более явно проявляется в обратном процессе созидания города, который трудом людей отстроить заново можно, а с помощью атомной бомбы вряд ли.

Таким образом, именно атомная бомба, на изготовление которой требуется потратить неимоверное количество трудовых и энергетических ресурсов, не демонстрирует «свойство массы превращаться в энергию». Скорее наоборот, в атомной бомбе можно видеть торжество идей Умова о непрерывном преобразовании энергии в различные формы и концентрации потоков энергии через промежуточные среды, которые могут выглядеть, как масса делящегося вещества, например.

1. Чернин А.Д., ГАИШ МГУ Формула Эйнштейна. Трибуна УФН. URL: http://ufn.ru/tribune/ppp/ppp121205b.pdf (дата обращения 28.04.2010)

2. Гровс Л. Теперь об этом можно рассказать. М., Атомиздат, 1964 г. Сокращенный перевод с английского О.П. Бегичева с издания: Now it can be told. The story of Manhattan project. By Leslie R. Groves, Lieutenant General, U.S. Army, Retired.Harper & Brothers Publishers, New York.

3. Окунь Л.Б. Формула Эйнштейна: Е=мс². «Не смеется ли Господь Бог?» УФН, Том 178, №5, май 2008 с.541-552.

4. Там же, с.552.

5. Л.Б. Окунь «Теория относительности и теорема Пифагора» УФН, Том 178 №6, 2008

6. Компанеец А.И. Борьба Н.А.Умова за материализм в физике. АН СССР, Институт Философии. Издательство АН СССР, Москва, 1954.

7. Умов Н.А. Уравнения движения энергии в телах (1874). - Избранные сочинения.

8. Umov N. Albeitung der Bewegungsgleichungen der Energie in continuirlichen Korpern (Вывод уравнения движения энергии в непрерывных телах). "Zeitschrift fьr Mathematik und Physik", Bd. XIX, 1874, H. 5.