В этой статье, уважаемые читатели, я хочу немного пополемизировать с релятивистами по поводу принципа эквивалентности массы и энергии, согласно которому полная энергия физического объекта в состоянии покоя равна его массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме:
Релятивисты утверждают, что квадрат скорости света в этой формуле всего лишь размерный коэффициент, обеспечивающий перевод килограммов в джоули. Однако любая физическая формула всегда кроме математического результата ещё обязана иметь свой собственный физический смысл. Какой физический смысл скрывается за представленным выражением? Мы в праве высказать два равноценных предположения. Первое - если некую массу разогнать до скорости света, то эта масса превратиться в чистую энергию. Второе, что некая энергия «затормозившая» своё движение со скоростью света превратится в массу. И в том и в другом случае явное нарушение закона сохранения материи, но такие пустяки никогда не останавливали убеждённых сторонников теории относительности.
Наверное, никто не будет отрицать, что важнейшим свойством материи является её масса. Современная научная мысль различает два вида массы – инерционную и гравитационную. Однако в ходе многочисленных экспериментов удалось установить, что эти массы эквивалентны друг другу с очень высокой степенью точности. Поэтому мы будем использовать термин масса в его универсальном значении, не разделяя массу на инерционную или гравитационную. При этом здравый смысл нам говорит, что материя без массы не существует. Однако в специальной теории относительности масса определяется как абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса:
и может отсутствовать у отдельных частиц материи. Например, фотоны подобно любым материальным объектам обладают импульсом и энергией, но лишены массы покоя.
В этом случае, в рамках теории относительности, энергия фотона пропорциональна его импульсу. С точки зрения математики здесь нет ошибки, но с физических позиций объяснить наличие импульса у тела с нулевой массой весьма проблематично. Ведь по определению импульс это количество движения тела равное произведению массы тела на его скорость. В соответствии с классической физикой энергия любого материального тела с нулевой массой равна нулю, это правило распространяется на любые материальные объекты, в том числе и на фотоны. Следовательно, их энергия должна быть нулевой, но из практики мы знаем, что это не так. Поэтому релятивисты придумали для «безмассовых» фотонов релятивистскую массу, которая зависит от скорости наблюдателя или движения системы отсчёта наблюдателя. Трудно себе представить, как масса материального объекта может зависеть от внешнего наблюдателя и тем более от его скорости перемещения в пространстве. Тем не менее, согласно специальной теории относительности релятивистская масса эквивалентна полной энергии системы и в отличие от инвариантной массы зависит от системы отсчёта наблюдателя. Справедливости ради следует отметить, что в той же википедии сделаны специальные оговорки по поводу отказа современного научного сообщества от понятия «релятивистская масса» в физике элементарных частиц и ядерной физике. Де-факто этот термин в кругу профессиональных учёных лишён физического смысла и оставлен для популяризаторов теории относительности и тех кто читает их труды. Т.е. для нас с вами, уважаемые читатели. Ну что ж, пора и нам, вслед за профессионалами, стряхнуть эту лапшу со своих ушей. Поэтому давайте для начала вспомним классическое определение материи, предложенное Ньютоном:
Количество материи (масса) в физическом теле равно произведению его плотности на объём.
Вот чем мне нравится классическая физика так это тем, что в ней всегда всё просто, понятно и конкретно. Из приведённого определения в дополнение к массе естественным образом обозначились ещё две бесспорные характеристики материи – плотность и объём. С объёмом всё абсолютно ясно – это занимаемое материей пространство в 3-х мерной системе координат. А вот с плотностью не всё так просто. Здесь следует сделать небольшое уточнение по поводу «количества материи», так как во времена Ньютона и в наше время этот термин толковался по разному. Ньютон и его последователи считали, что вся материя состоит из неких очень маленьких элементарных (неделимых) частиц (корпускул) и количество материи это буквально количество этих частиц в фиксированном объёме. Однако, в конце XIX века Эрнст Мах и его сторонники, философы-позитивисты, очень жёстко раскритиковали такую материалистическую картину мира из-за невозможности обнаружения тех самых элементарных частиц Ньютона. В результате этой критики в начале XX века ньютоновские частицы материи (корпускулы) были признаны бессодержательными, не имеющими физического смысла и благополучно изгнаны из официальной физики. В настоящее время махизм как научная школа предан забвению, тем не менее, серьёзные учёные вместо «количество материи» предпочитают говорить «количество вещества» и понимают под этим термином количество одинаковых структурных единиц вещества (молекул, атомов, нуклонов) в фиксированном объёме. Современное толкование количества вещества, по сути, ни чем не отличается от количества материи Ньютона, при условии, что у современных учёных роль корпускул играют молекулы и атомы. В таком случае, никто не может запретить нам вслед за Ньютоном понимать количество материи как её массу, равную произведению плотности материи на объём:
Однако релятивисты по-прежнему считают, что масса может полностью превратиться в энергию посредством умножения величины этой массы на квадрат скорости света. При этом сама масса материи становится нулевой. Вот на этой, чисто математической, манипуляции с массой мы и попытаемся поймать релятивистов за руку. Простая подстановка нулевой массы в формулу M = P * V обращает в ноль либо плотность материи, либо её объём, либо и то и другое. Давайте последовательно рассмотрим эти варианты. Если плотность материи равна нулю, то это значит, что в указанном объёме пространства нет ни одной частицы материи. Никакой. Т.е. мы имеем чистый вакуум. Чистый вакуум, наполненный чистой энергией, звучит, конечно, красиво, но тогда перед нами неизбежно встаёт вопрос – какая сила удерживает эту энергию в указанном объёме? Что мешает в этом случае нашей энергии раствориться в окружающем пространстве или заполнить собой весь объём вселенной? Ни что не мешает, при нулевой плотности объём может иметь любое значение, даже бесконечное. Т.е. нулевая плотность материи приводит к безвозвратной потере энергии. Она просто исчезает в пространстве. Такой вариант нам не годится, потому что очень сильно напоминает улыбку чеширского кота, когда улыбка есть, а кота нет. Хорошо, давайте оставим плотность не нулевой, а обнулим объём. В этом случае, мы создадим ещё более парадоксальную ситуацию. Так как нам придётся разместить в нулевом объёме некую виртуальную частицу материи с ненулевой плотностью, имеющую хоть и бесконечно маленькие, но отличные от нуля линейные размеры. Чисто теоретически такая задача не имеет решения. Да и сам факт существования материальной частицы с нулевой массой и не нулевой плотностью вызывает большие сомнения. Рассмотрим третий вариант, когда у материи нет ни объёма, ни плотности. А что в таком случае есть? Есть нечто нулевой плотности, нулевого объёма и нулевой массы. Такая своеобразная пародия на знаменитую сингулярность чёрной дыры. Пародия, потому что наша «сингулярность» имеет нулевой размер, нулевую плотность и нулевую массу. Неизбежно возникает вопрос – как из этого ничего, абсолютного нуля, возникает чистая энергия? Самый правильный ответ на подобный вопрос – у субстанции с нулевой плотностью, нулевым объёмом и нулевой массой энергия всегда будет равна нулю. Да, трудно найти более-менее правдоподобное объяснение существованию чистой энергии в материальном мире. Всё-таки, если вернуться к энциклопедическому определению энергии как скалярной физической величине, являющейся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, то мы должны признать, что чистой энергии или материи в форме энергии не бывает. Следовательно, материя с нулевой массой не может существовать ни при каких условиях! Что и требовалось доказать. Такое, обоснование обязательного наличия массы у материи позволяет сформулировать два существенных вывода. Первый - виртуальных частиц переносчиков энергии не бывает. Второй – чистой энергии без материального носителя также не бывает. Эти выводы напрямую противоречат двум самым успешным физическим теориям ХХ века – стандартной модели и теории относительности. Если вы помните, в стандартной модели обосновывается существование таких виртуальных (безмассовых) частиц как гравитоны и фотоны, а теория относительности с помощью своей формулы E=mc^2 легко превращает массу в энергию. Наши рассуждения лишают подобные предположения всякого физического смысла.
