Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

Энергия

Энергия – это одно из тех понятий, которые, как нам кажется, мы понимаем на уровне интуиции. Например, если мы голодны, устали или плохо себя чувствуем, мы говорим, что нам «не хватает энергии». Наоборот, если мы в хорошей форме и хорошо себя чувствуем, нам «хватает энергии», чтобы пойти в спортзал. Иногда этот термин используется в бытовом смысле в выражениях типа «в комнате ощущалась позитивная энергия» или «от него исходит отрицательная энергия». В физике понятие энергии используется в смысле способности выполнить работу. Таким образом, чем больше энергии, тем больше можно сделать – перенести материю с места на место, нагреть ее или просто накопить для дальнейшего использования. Понятие энергии широко используется в физике уже пару веков, с тех самых пор, как оно оказалось полезнее, чем более «ощутимое» на первый взгляд понятие силы – ведь мы можем почувствовать силу, но не всегда непосредственно ощущаем энергию, даже если она принимает форму тепла или света.

Тем не менее определение энергии как способности совершать работу не объединяет ее с понятием силы, поскольку, когда в физике используется термин «работа», обычно имеется в виду способность сдвинуть тело, преодолевая некую силу сопротивления. Например, мне нужна энергия, чтобы передвинуть тяжелый предмет мебели или чтобы поднять что-то над головой, преодолевая силу притяжения. Точно так же батарейке требуется энергия, чтобы «протолкнуть» электрический ток по цепи, преодолевая сопротивление материала, а тепловая энергия пара порождает давление, действующее на силовые турбины, которые преобразуют эту энергию в электричество. Последнюю можно использовать для механической работы или снова преобразовать ее в энергию света или тепла.

Энергия существует во многих ипостасях: кинетическая энергия движущегося тела; потенциальная энергия тела, находящегося в гравитационном поле; тепловая энергия горячего тела благодаря движению атомов внутри него. Но, хотя все это верно, мы еще не добрались до самой сути понятия энергии.

Давайте начнем с закона сохранения энергии: общее количество энергии во Вселенной неизменно. Он выводится, через теорему Нётер, из более фундаментальной идеи временной симметрии, гласящей, что все законы физики являются «инвариантами преобразования времени», откуда следует, что общая энергия физического процесса сохраняется во времени. Эта идея позволила предсказать существование новых элементарных частиц. Сохранение энергии также доказывает невозможность создания вечного двигателя, поскольку энергию нельзя постоянно получать из ничего.

С первого взгляда можно подумать, что говорить больше не о чем: вся энергия в системе (то есть во всей Вселенной) остается неизменной, хотя ее количество изменяется от одной Вселенной к другой. Однако в природе энергии есть нечто более глубокое, о чем я еще не упоминал. В самом общем смысле можно разделить ее на два вида: полезную энергию и бесполезную энергию, – и это разделение имеет глубочайшие последствия, связанные со стрелой времени. Мы знаем, что для нашей повседневной жизни – для работы транспорта и промышленности, для генерирования электричества, которое мы используем для освещения и обогрева наших домов, для питания приборов и всей домашней техники – для всего этого нужна энергия. Собственно говоря, энергия необходима просто для поддержания самой жизни.

Конечно, это не может длиться вечно. И что же, однажды эта полезная энергия иссякнет? Уменьшив масштаб, можно представить себе всю Вселенную в виде механических часов, которые постепенно замедляются. Но как же это возможно, если количество энергии всегда остается неизменным? Почему она не может циркулировать бесконечно – пусть даже меняя форму? Оказывается, что ответ кроется в статистике и теории вероятности и в том, что известно как второй закон термодинамики. Однако, если вы не против, я отложу этот разговор до главы 6. А сейчас давайте двинемся дальше – от энергии к материи.

Материя и масса

Когда мы говорим о природе материи, надо понимать, что такое масса. На самом элементарном уровне масса тела – это мера количества содержащегося в нем «вещества».

В обыденной жизни часто полагают, что масса тела – это то же, что его вес. Для земных условий это нормально, поскольку эти две величины пропорциональны друг другу. Однако в космосе у тела нет веса, но масса все же существует.

Но даже масса не всегда остается постоянной. Чем быстрее движется тело, тем больше увеличивается его масса. Такие вещи не преподают в школе, а Исаак Ньютон был бы этим поражен, потому что это – еще одно следствие природы пространства-времени с точки зрения специальной теории относительности Эйнштейна. Если вы задаете себе вопрос, почему мы не видим этого в реальной жизни, так это потому, что мы обычно не наблюдаем скоростей, близких к скорости света, когда этот эффект становится заметным. Например, тело, движущееся со скоростью 87 % скорости света, будет иметь массу, в два раза превышающую массу того же тела, но в покое. А масса тела, движущегося со скоростью 99,5 % скорости света, будет больше в десять раз. Но даже самая быстрая пуля летит со скоростью всего лишь 0,0004 % скорости света, а это означает, что мы не видим релятивистских эффектов или изменений в массе движущихся тел.

Увеличение массы тела по мере приближения его скорости к скорости света не означает, что оно становится больше по размеру или что увеличивается количество составляющих его атомов; скорее, это значит, что возрастает его импульс (его становится труднее остановить) по сравнению с тем, которого можно было ожидать, зная массу этого тела в состоянии покоя. Согласно механике Ньютона импульс тела – это произведение его массы на скорость, а значит, он увеличивается при росте скорости: если скорость тела возрастет в два раза, то же произойдет и с импульсом. Однако ньютоновская механика ничего не говорит об увеличении массы при движении тела. Специальная теория относительности дает нам иную (и более корректную), «релятивистскую» формулу импульса, которая не пропорциональна скорости тела. На самом деле при достижении телом скорости света его импульс становится бесконечным.

Все это помогает понять, почему никакое тело не может двигаться быстрее скорости света (это еще один вывод из специальной теории относительности). Подумайте, сколько энергии требуется, чтобы ускорить движение тела. При низкой