Страница 14 из 33
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ МАССА ВО ВСЕЛЕННОЙ
Аналогии между электростатикой и гравитацией, естественно, заставляют нас задуматься о том, какой была бы Вселенная, в которой существовали бы положительная и отрицательная массы, подобно тому как существуют положительный и отрицательный заряды.
Тело с отрицательной массой все бы отталкивало, а тело с положительной массой все бы притягивало[3]. В итоге началась бы бесконечная гонка между положительными массами, убегающими от отрицательных, которые они притягивают[4].
С другой стороны, в случае с отрицательной массой два тела с одинаковым знаком массы притягивались бы, а с противоположным знаком отталкивались бы, что создавало бы огромное количество тел с одинаковым знаком массы, которые свели бы на нет всю гравитацию.
В подобной вселенной не могла бы сформироваться планета, на которой есть жизнь. Так что не стоит жалеть, что в нашей вселенной отрицательной массы не существует.
Если электростатическая сила кажется настолько мощной по сравнению с гравитацией, видимое отсутствие в природе заряженных тел делает из нее силу, которая кажется почти анекдотической. Все дело в том, что мы рассматриваем ее не в том масштабе.
Как мы видели, сила притяжения становится ощутимой только в случае с телами значительной массы, такими как планеты, их естественные спутники и звезды. Именно поэтому в предыдущем разделе мы заострили внимание на крупных объектах, то и дело обращаясь к открытому космосу.
Однако с электростатической силой все обстоит наоборот: она проявляет себя на микроскопическом уровне. Однако микроскопический мир, несмотря на всю его близость, очень мало знаком нам, ибо мы не можем наблюдать его невооруженным глазом (в отличие от Луны, Солнца и звезд). Вот почему мы совершим небольшой обзор мира малых величин, который нас окружает, чтобы понять, почему электростатическая сила является вездесущей.
СВЯЗЬ МЕЖДУ ГРАВИТАЦИЕЙ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИЛОЙ: ВЫВОДЫ
Обобщим аналогии между двумя основополагающими силами:
• Обе силы уменьшаются пропорционально квадрату расстояния между объектами.
• Обе силы зависят от параметра, свойственного объекту (массы или заряда). Более того, чем более мощное воздействие может оказывать один объект, тем более мощное воздействие он может испытывать: это свойство, управляющее обеими силами (идентичность масс – активная/пассивная, идентичность зарядов – активный/пассивный). Отсюда следует, что два объекта оказывают друг на друга одинаковое взаимное воздействие.
И различия:
• Существует два вида зарядов (положительный и отрицательный), а масса – только одного вида (положительная). Массы с одинаковым знаком притягиваются, тогда как тела с одинаковыми зарядами отталкиваются. Таким образом, гравитация – сила всегда притягивающая. Электростатическая сила может быть притягивающей и отталкивающей.
• В гравитации две различные массы в присутствии третьего объекта испытывают одинаковое ускорение. В электростатике два различных заряда испытывают разное ускорение. Более того, в электростатике ускорение объекта зависит от его заряда и его массы, тогда как в гравитации ускорение объекта не зависит ни от заряда, ни от массы.
Последнее утверждение позволяет предположить тесную связь между силами гравитации и электростатики, поскольку масса – гравитационная характеристика – вмешивается во взаимодействие чисто электростатическое.
2. Вездесущая сила
Первые наблюдения
И снова именно греки первыми задумались о сути бесконечного малого: из чего состоит материя? Они выдвинули гипотезу, что всякий объект состоит из маленьких простейших кирпичиков, которые они назвали атомами. Это объясняло тот факт, что материя может быть разделена на части до образования мельчайшей пыли, если одни атомы попросту отделить от других. С другой стороны, греки предполагали, что сам атом невозможно поделить, то есть он является зерном самой мелкой пыли, какую только возможно получить, и, соответственно, так мал, что его не видно невооруженным взглядом.
По мнению греков, атомы имели форму маленьких шариков (не будем забывать, как греки любят все круглое!)… Атомы должны иметь определенную массу: чем больше атомов, тем больше масса объекта. Это, в общих чертах, объясняло факт, что чем объект крупнее, тем он тяжелее.
Таким было положение вещей до эпохи Возрождения. Внести ясность помогли исследования в области химии, в частности с подачи Антуана Лавуазье.
Вклад химии
Было очевидно, что некоторые вещества имели довольно специфические химические свойства: например, некоторые жидкости сильно «разъедали» твердые тела. Эти жидкости были названы «кислотами», а твердые тела отнесены в категорию металлов. Кислоты наверняка содержали какие-то особенные вещества, которые отличали их от прочих жидкостей: микроскопические составляющие тел, придающие им особые химические свойства, назовут молекулами.
Но когда разные вещества смешивались, их химические свойства менялись, а значит, и молекулы менялись тоже. Одни исчезали, другие появлялись. Но поскольку масса вещества оставалась неизменной, значит, ничто по-настоящему не «исчезало»: молекулы просто менялись. Это и было фундаментальным открытием Лавуазье: «Ничто не теряется, ничто не создается, все меняется».
Если молекулы могли таким образом меняться, значит, они не являлись «простейшими кирпичиками», о которых говорили греки. Молекулы составлены из нескольких элементов, которые, выстраиваясь определенным образом, образуют молекулу: те самые, известные нам атомы.
Все более сложные химические реакции позволили мало-помалу изолировать эти атомы и описать их: каждый атом сообщает определенные химические свойства молекуле, частью которой он является. Обмениваясь атомами, молекулы могли меняться и менять свои свойства.
Возьмем пример: вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода Н и один атом кислорода О. То есть ее формула H2О. Если мы заставим водяной пар соприкоснуться с раскаленным железом, атомы молекул перегруппируются: атомы кислорода двух молекул воды соединятся, покинув водород, чтобы сформировать новую молекулу – О2, состоящую из двух атомов кислорода (газа столь важного для нашей жизни). Что же касается оставшихся четырех атомов водорода, они образуют две двухатомные молекулы водорода H2.
Уравнение записывается так: 2H2О → O2 + 2H2
Молекулы воды исчезли, но масса осталась прежней, поскольку атомы просто перегруппировались. Любопытно, что, если мы поднесем спичку к новым образованиям O2 и H2, это поможет атомам перестроиться заново и снова образовать… воду H2О! А еще во время этой реакции прогремит взрыв большой мощности…
Внутренность атома
Долгое время считалось, что атомы – элементарные частицы материи. Но в самом конце XIX в. один опыт подвергает эту аксиому сомнению. В этот период Джорджу Джону Томсону удается выделить частицу из внутренности атома, нагрев металлическую поверхность. Опыт позволил констатировать следующие важные факты:
• Выделенная частица, которая получила название «электрон», обладает отрицательным зарядом. Но поскольку атом по своей природе нейтрален, следовательно, внутри его должна быть и частица с противоположным зарядом, чтобы свести общий заряд к нулю. Этой другой частицей является протон.
3
Тут надо сделать оговорку. Тело с положительной массой притягивало бы ВСЕ, кроме объектов с отрицательной массой.
4
Утверждение неверное. Положительные массы могут притягивать только (!) положительные, но никак не отрицательные. О чем, собственно, и говорится в следующем абзаце.