Астрономія та фізика завжди зачаровували нас. Вони провокували питання, які сягають самої тканини буття.
Наприклад: якби у Всесвіті існувало лише одне матеріальне тіло, чи мало б воно масу?
На перший погляд, таке питання ставить під сумнів наші повсякденні уявлення про масу та гравітацію. І водночас вимагає існування звичного всесвіту, наповненого безліччю об'єктів. Але що говорить нам фізика?
Щоб розібратися в уявному експерименті, нам спершу визначимо, що таке маса. У фізиці маса - це міра опору об'єкта прискоренню (зміні його руху) під дією чистої сили. Це також міра кількості речовини в об'єкті.
Обидва визначення містяться у другому законі Ньютона, який стверджує, що сила (F), яка діє на об'єкт, дорівнює його масі (m), за умови врахування прискорення (a): F = ma.
Тобто маса існує як категорія, що описує рух предметів. Інакше кажучи, вона не може існувати у стаціонарному світі.
Водночас вона відіграє центральну роль у гравітаційній взаємодії між об'єктами, яку описує закон всесвітнього тяжіння Ньютона. Цей закон постулює, що кожна частинка матерії у Всесвіті притягує будь-яку іншу частинку з силою, прямо пропорційною добутку їхніх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Якщо прочитати закон буквально, математично
Таким чином, ми визначаємо масу завдяки інерційній властивості умовно тіла. І ця інерція демонструє, наскільки сильно об’єкт чинить опір змінам у своєму русі, коли до нього прикладається зовнішня сила.
Якщо ми штовхнемо автомобіль і велосипед з однаковою силою, автомобіль прискориться менше, ніж велосипед, тому що він має більшу інерційну масу. Просто порівняємо прискорення різних тіл під дією однакової сили.
Інший спосіб визначити масу — описати гравітаційну властивість, тобто наскільки сильно тіло притягує інші тіла під дією сили тяжіння. Кидаємо пір'їнку і молоток з однакової висоти на Землю. Вони падають з однаковою швидкістю, тому що мають однакову гравітаційну масу. Тут ми порівнюємо вагу різних тіл в одному гравітаційному полі.
Отже, чи може самотнє матеріальне тіло у Всесвіті мати масу? З одного боку — так, згідно з нашим розумінням маси. Його власна маса або кількість матерії, що міститься в ньому, не залежить від присутності інших тіл. Але залежить від змін в русі, від властивостей простору і, скоріш за все, фундаментальних констант.
Крім того, відповідно до закону всесвітнього тяжіння Ньютона, інерційна тагравітаційна маси еквівалентні: якщо тіло має більшу інерційну масу, воно також матиме більшу гравітаційну масу, і навпаки. Але це за умови існування іншого тіла, якого в нашому експерименті немає.
Однак закон Ньютона не пояснює, чому існує маса або що спричиняє гравітацію. Він також не пояснює деякі явища, які відбуваються на дуже високих швидкостях або в сильних гравітаційних полях.
Щоб подолати ризики обмеженого ньютонового простору, Ейнштейн розробив теорію загальної відносності, яка описує гравітацію як результат викривлення простору і часу, спричиненого наявністю маси та енергії. Він запропонував інший принцип — еквівалентність маси та енергії. Тобто якщо тіло має більшу масу, воно також матиме більшу енергію, і навпаки. Більшу по відношенню до іншого тіла.
Таким чином, у загальній теорії відносності інерційна та гравітаційна маси все ще еквівалентні, але вони не є постійними. Вони залежать від швидкості та положення тіла відносно інших тіл і спостерігачів. Якщо тіло рухається дуже швидко або знаходиться дуже близько до масивного тіла, його маса збільшується.
Ми також впевнені, що маса впливає на кривизну простору-часу, створюючи те, що ми сприймаємо як гравітацію. З концепції Ейнштейна також випливає, що навіть у Всесвіті тільки з одним матеріальним тілом це тіло спотворювало б простір-час навколо себе, припускаючи наявність гравітаційної маси.
Однак без будь-яких інших об'єктів, що сприймають цю кривизну або взаємодію з об'єктом, практичне значення цієї гравітації анулюється. В даному випадку “має бути” означає “бути”.
І тут на допомогу поспішає квантова механіка. Зокрема, квантова теорія поля припускає, що частинки набувають маси внаслідок взаємодії з гіпотетичним полем Гіггса. Той же бозон Хіггса, відкритий у 2012 році, являє собою частинку, пов'язану з цим полем.
Але У Всесвіті тільки з одним матеріальним навіть гіпотетичного поля Гіггса не існує. І пам’ятаємо про розмитість поняття “маси” в мікрофізиці: ми насправді вимірюємо енергетичний потенціал нерухомого об’єкта, якого в “справжній” природі не існує. Частинки виникають лише в момент вимірювання, а маса перестає бути навіть відносною, перетворюючи в абстрактне, зручний для математичної фізики інструмент оцінки власних знань.
Вищесказане повертає нас до початкового питання: якби у всьому всесвіті було лише одне тіло, чи мало б воно масу? Відповідь переходить з фізики до філософії: залежить від того, як ми визначаємо всесвіт і яку систему відліку використовуємо для вимірювання маси.
Якщо припустити, що всесвіт скінченний і має межу, тоді можна використити спостерігача за межами всесвіту як систему відліку. У цьому випадку виміряємо інерційну масу тіла, приклавши до нього силу і спостерігаючи за його прискоренням. Ми також можемо виміряти його гравітаційну масу, спостерігаючи, наскільки сильно воно викривляє простір і час навколо себе.
Однак, якщо припустити, що всесвіт нескінченний і не має меж, тоді не існує жодного спостерігача. У цьому випадку ми можемо використовувати лише спостерігача всередині всесвіту як нашу систему відліку. Але оскільки у всесвіті існує лише одне тіло, то немає іншого тіла, з яким можна було б його порівняти або прикласти до нього силу. Тому ми не можемо виміряти інерційну або гравітаційну масу.
Отже, чи має єдине тіло у Всесвіті масу, чи ні, залежить від того, як ми визначаємо масу і які припущення робимо про природу Всесвіту.
А якщо ми не можемо “виміряти” масу об’єктивно, то слід допустити, що й маси як об’єктивної реальності не існує. Хоча вона може існувати за межами наших здібностей класифікувати навколишнє середовище.
Цілком філософське питання: а чи існує світ за межами наших вимірювань?
