Вы совершили важное научное открытие, способное изменить мир. До сих пор люди добывали энергию с огромным трудом. Основная ее форма — это электроэнергия, а ваше открытие позволит преобразовывать материю напрямую в электричество. Другими словами, традиционное топливо попросту обессмыслится, что ощутимо скажется на производственных затратах и расходах на доставку почти всего на свете — от продуктов питания до смартфонов. Благодаря вашим стараниям выработка энергии станет дешевым и чистым делом, а глобальное потепление отступит. Исчезнет нищета, а финансовая система, так сильно зависящая от цен на нефть, будет полностью перекроена. Современная утопия. И все благодаря вашему открытию! Если сейчас человечество расходует энергию в количестве 600 тераджоулей в год, сколько потребуется материи, чтобы полностью удовлетворить потребности землян?

E = mc2 — формула, процитировать которую способно большинство, но разъяснить — немногие. Ее можно найти в работах Альберта Эйнштейна (и других ученых) по теории относительности, это базовая формулировка, которая сообщает нам, что масса и энергия суть одно и то же. Несмотря на то что короткая формула всего из трех элементов кажется очень простой, она объясняет фундаментальные законы нашей Вселенной.

Е означает энергию в джоулях, m — массу в килограммах, а с — скорость света в вакууме, которая измеряется в метрах в секунду. Ненадолго сосредоточимся именно на c. В главе 2 я упоминал, что скорость света в безвоздушном пространстве будет максимальной величиной для нашей Вселенной. Ничто не способно перемещаться быстрее, чем свет в вакууме, который двигается очень, очень быстро — чуть меньше, чем 300 000 000 м/с. Одного взгляда на эту цифру достаточно, чтобы мы могли понять: свет перемещается мгновенно. Его скорость исключительно важна для формулы, поэтому давайте рассмотрим пример применительно к нашим реалиям.

В ненастную ночь где-то вдалеке вы замечаете вспышку молнии. Начинаете считать: «Одна тысяча раз, одна тысяча два, одна тысяча три», — и тут до вас доносится раскат грома. Звук распространяется в воздухе со скоростью около — следовательно, те три секунды, что вы успели засечь, означают, что молния ударила за километр от вас. Свет движется в воздухе почти с той же скоростью, что и в вакууме, и если вы воспользуетесь формулой «время = расстояние ÷ скорость», то получите следующее:

Время = 1000 ÷ 300 000 000
Время = 0,000003 с.

Три миллионные доли секунды. Ученые все еще спорят, какой интервал времен способен воспринимать человек, но в любом случае наименьший из них составляет тысячные доли секунды. Впрочем, свет будет добираться до вас еще дольше — при условии, что его источник довольно-таки далеко. Так, если Проксима Центавра, ближайшая к Солнцу звезда, когда-нибудь взорвется, на Земле не узнают об этом еще четыре года. Когда вы смотрите на звезды, вы смотрите в прошлое. Самая дальняя от нас «звезда», которую вы, скорее всего, способны увидеть невооруженным глазом, — на самом деле не звезда, а галактика Андромеды. Эта галактика находится от Земли на расстоянии чуть более 2 миллионов световых лет, так что на самом деле ее звезды испустили свет, который мы видим, примерно в то же время, когда первые Homo erectus покинули Африку.

Эйнштейн рассудил, что если энергия и вещество равнозначны, то все, что увеличивает энергию, увеличивает и массу объекта. Существует множество видов энергии. Кинетическая (заданная движением), гравитационная (обусловленная силой тяжести), тепловая (вызванная нагревом) и электрическая (возникающая благодаря электрическому заряду) — вот лишь некоторые из них. Чаще всего влияние энергии на массу несущественно. Формула Эйнштейна дает нам возможность определить массу объекта, находящегося в покое, то есть энергию, которой он обладает при отсутствии всех остальных видов энергии.

Объект начинает получать энергию — предположим, за счет движения — и становится тяжелее. Как правило, для всего, что перемещается со скоростью менее 10% от c, или 30 000 000 м/с, прирост массы оказывается ничтожно малым. Самый быстрый космический аппарат, солнечный зонд «Паркер», развивает скорость до 200 000 м/с, а значит, беспокоится не приходиться даже исследователям космоса.

Со скоростью света способно перемещаться только то, что вообще не имеет массы, например, фотоны — наименьшие частицы электромагнитного излучения, образующие свет. Их масса покоя равна нулю, и понятно, что своей энергией они обязаны только скорости.

Формула Эйнштейна подразумевает, что килограмм любого вещества, будь то вода, сыр, осколок Плутона или космическая пыль, обладает следующим количеством энергии:

Е = 1 × 300 000 0002 = 90 000 000 000 000 000 Дж.

Это много. Атомные электростанции работают согласно принципу: при расщеплении тяжелое атомное ядро распадается на два или более осколков меньшей массы, при этом суммарная масса производных частиц получается меньше массы исходных. Разница преобразуется в энергию, в том числе и тепловую, которую мы используем для производства электроэнергии. Под воздействием Солнца все происходит с точностью до наоборот. В процессе синтеза две меньшие молекулы (водород) образуют большую (гелий). Масса гелия не настолько велика, как совокупная масса двух молекул водорода, поэтому в ходе реакции снова высвобождается энергия; часть ее превращается в тепло и свет, которые так необходимы всем живущим на Земле.

Но даже при ядерных реакциях в энергию преобразуется незначительная доля определенного вещества. При атомной бомбардировке Хиросимы в энергию было превращено всего 0,7 грамма урана, что, впрочем, эквивалентно 15 000 тоннам тротила. Благодаря Солнцу в энергию ежесекундно обращается 500 миллионов тонн материи. Это множество Хиросим. Как бы то ни было, все эти разговоры об атомных бомбах звучат не очень дружелюбно по отношению к окружающей среде, и, кроме того, вам хотелось бы преобразовать в энергию все вещество целиком. Возможно ли это?

Что тут скажешь? В теории — да, возможно. Наряду с материей во Вселенной существует вещество под названием антиматерия. У каждой материальной крупицы есть злой двойник из антивещества. Почему злой?

Если бы частица материи встретилась с соответствующей частицей антиматерии, они уничтожили бы друг друга (взаимно аннигилировали), а вся масса перешла бы в другие формы энергии — скорее всего, в сверхбыстрые фотоны, гамма-лучи. Но даже если бы вещество и его зеркальный двойник не принадлежали к одному и тому же типу частиц, они все равно аннигилировали бы до осколка с меньшей массой.

Своим появлением антиматерия обязана реакциям, возникающим при распаде частиц. Мы используем их в таком виде медицинской диагностики, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). В тело пациента вводится радиоактивный препарат, производящий позитроны (античастицы электронов), и специальное устройство, фиксируя энергию, которая возникает при аннигиляции, формирует изображение внутренних органов человека.

Вернемся к проблеме мирового энергетического кризиса. 600 тераджоулей — это 600 000 000 000 000 джоулей, и более 80% из них мы все еще получаем из твердых полезных ископаемых. (Приставка «тера-», происходящая от древнегреческого слова «чудовище», тут очень уместна.) С помощью формулы Эйнштейна вы вычисляете, сколько потребуется материи:

E = mc2.

Выражаете m, поделив обе части уравнения на c2:

Подставляете значения E = 600 000 000 000 000 и с = 300 000 000:

Возводите знаменатель в квадрат:

Сокращаете дробь:

Получается, что ваше изобретение могло бы обеспечить целый мир годовым запасом энергии, если бы у вас было всего 7 грамм материи . Для наглядности сравните этот мизерный результат с 15 миллиардами тонн твердых полезных ископаемых, которые мы добываем ежегодно. Вот какова энергия антивещества!

Тогда почему мы до сих пор его не используем? Есть две причины. Во-первых, антиматерию очень сложно хранить. Из-за вышеупомянутой аннигиляции антивещество нельзя поместить в то, что сделано из обычной материи. Заряженные частицы можно удержать в подвешенном состоянии в вакууме посредством магнитного поля, однако зарядить удастся только самые мелкие из них. Во-вторых, если взвесить всю антиматерию, которую человечество успело искусственно создать, у нас будет всего несколько миллиардных долей грамма.

Таким образом, ваше удивительное изобретение должно улавливать и накапливать антиматерию, потом преобразовывать энергию, которая высвобождалась бы в процессе аннигиляции, в полезный для жителей Земли вид — электричество, да еще ее и хранить. Вот это да! Допустим, вы на самом деле придумали нечто подобное. Это «нечто» полностью преобразило бы весь мир и, возможно, позволило бы нам отправиться к другим планетам и звездам. И всем этим мы были бы обязаны короткой формуле столетней давности.