1. Современная наука о природе, законы механики - Ричард Фейнман

Позвольте, какая кинетическая энергия? Что за сказка? Откуда известно, что это все еще кинетическая энергия? Оказывается, термометр способен обнаружить, что пружина или рычаг нагреваются, т. е. что и впрямь происходит опреде­ленный прирост кинетической энергии. Мы ее называем те­пловой, а сами помним, что никакая это не новая форма энергии, а всего лишь кинетическая, но внутреннего движения. (Одна из трудностей всех опытов с большим количеством вещества в том и состоит, что невозможно взаправду показать сохраняемость энергии, сделать настоящую обратимую машину; каждый раз, когда поворачивается большой комок вещества, атомы не оста­ются в прежнем состоянии, в их систему включается некоторое количество случайного движения. Увидеть это нельзя, но изме­рить термометрами и другими приборами можно.)

Существует еще немало других форм энергии, но мы не можем сейчас описывать их более или менее подробно.

Имеется энергия электрическая, связанная с притяжением и отталкиванием электрических зарядов.

Есть энергия излучения, или энергия света,— одна из форм электрической энергии, ибо свет может быть представлен как колебания электромагнитного поля.

Бывает энергия химическая — энергия, высвобождаемая в химических реакциях. Упругая энергия в некотором роде по­хожа на химическую; и химическая энергия есть энергия при­тяжения атомов друг к другу, и упругая энергия тоже. В настоя­щее время мы это понимаем следующим образом: химическая энергия складывается из двух частей — энергии движения элек­тронов внутри атомов, т. е. из кинетической части, и электри­ческой энергии притяжения электронов к протонам, т. е. из электрической части.

Дальше, бывает ядерная энергия, связанная с расстановкой частиц в ядре; для нее тоже существует формула, хотя основные законы нам и неведомы. Мы знаем, что это не электричество, не тяготение, не чистая химия... А что это такое? А кто его знает! Видимо, это добавочная форма энергии.

И наконец, теория относительности видоизменяет формулу кинетической энергии, так что название это становится услов­ным, сочетая ее с другим понятием: энергией массы. Любой объ­ект обладает энергией уже потому, что он существует. Если электрон и позитрон спокойно стоят рядом, ничем не за­нимаясь (ни тяготением, ни чем иным), а потом сливаются и исчезают, то освобождается определенная порция энергии излу­чения, и эту порцию можно подсчитать. Все, что для этого нуж­но,— это знать массу объекта. Неважно, что это такое — два тела исчезли, определенная энергия появилась. Формулу впервые придумал Эйнштейн: это Е = mc2.

Из наших рассуждений ясно, что закон сохранения энергии незаменим при анализе явления; мы уже показали это на ряде примеров, для которых мы не знали всех формул. Владей мы формулами для всех типов энергии, мы могли бы узнавать, не вдаваясь в детали, сколько процессов происходит в таком-то явлении. Оттого законы сохранения столь важны. Встает есте­ственный вопрос: какие еще есть в физике законы сохранения.

Существуют еще два закона, сходных с законом сохранения энергии. Один называется сохранением импульса (или количе­ства движения). Другой — сохранением момента количества движения. Позже мы подробней познакомимся с ними.

В конечном счете мы не понимаем законов сохранения доста­точно глубоко. Нам непонятно сохранение энергии. Мы не можем представить себе энергию как некоторое количество неделимых порций. Вы, вероятно, слышали, что фотоны вылетают порция­ми и что энергия их равна постоянной Планка, умноженной на частоту. Это правда, но так как частота света может быть любой, то нет никакого закона, по которому энергия обязана иметь не­которую определенную величину. Это уже не кубики Монтигомо Ястребиного Когтя: любые количества энергии допустимы, по крайней мере в настоящее время. Для нас энергия — это не то, что можно пересчитать, а всего лишь математическая величина, абстракция,—обстоятельство довольно странное. В кван­товой механике выявляется, что сохраняемость энергии тесно увязана с другим важным свойством мира — с независимостью от абсолютного времени. Мы можем поставить опыт в некоторый момент, а потом еще раз в другой момент; он будет протекать одинаково. Абсолютно ли верно это утверждение или нет — мы не знаем. Но если мы примем, что оно абсолютно верно, и добавим принципы квантовой механики, то из этого можно вывести прин­цип сохранения энергии. Это довольно тонкая и интересная вещь, которую нелегко пояснить. Другие законы сохранения также связаны между собой: сохранение импульса в квантовой меха­нике — с утверждением, что неважно, где происходит опыт, его итог от этого не меняется. И подобно тому, как независимость от места связана с сохранением импульса, а независимость от вре­мени — с сохранением энергии, точно так же от поворота на­ших приборов тоже ничего не должно изменяться; независи­мость от ориентации в пространстве имеет отношение к сохране­нию момента количества движения.

Кроме этого, существуют еще три закона сохранения; на­сколько ныне нам известно, они точные и понять их намного лег­че, так как по своей природе они близки к подсчету кубиков. Первый из них — сохранение заряда; он просто означает, что если подсчитать, сколько есть положительных зарядов, и из этого вычесть количество отрицательных, то число это никогда не изменится. Вы можете избавиться от положительных вместе с отрицательными, но не создадите никогда чистого избытка од­них над другими. И прочие два закона похожи на этот. Один на­зывают сохранением числа барионов. Имеется некоторое коли­чество удивительных частиц (примеры: нейтрон и протон), называемых барионами. В любой реакции, где бы в природе она ни происходила, если подсчитать, сколько барионов было в начале процесса (считая антибарион за —1 барион), то в конце их число окажется тем же. Другой закон — сохранение числа лептонов. Группа частиц, называемых лептонами, включает электрон, мюон и нейтрино. Антиэлектрон, т. е. позитрон, счи­тается за —1 лептон. Подсчет общего числа лептонов в реакции обнаруживает, что на входе и на выходе реакции это число оди­наково, по крайней мере насколько нам сейчас известно.

Вот вам шесть законов сохранения: три замысловатых, свя­занных с пространством и временем, а три простых, связанных с обычным счетом.

К сохраняемости энергии доступность и полезность энергии не имеет никакого отношения. В атомах морской воды немало энергии движения, так как температура моря довольно высока, но нет никакой возможности направить эту энергию в опреде­ленное русло, не отобрав ее откуда-нибудь еще. Иначе говоря, хотя нам известен тот факт, что энергия сохраняется, но не так-то просто сохранить энергию, пригодную для человека. Законы, управляющие количеством пригодной для человека энергии, называются законами термодинамики и включают понятие, называемое энтропией необратимых термодинамиче­ских процессов.

Наконец, остановимся на том, откуда мы сегодня можем по­лучать необходимый запас энергии. Энергией нас снабжают Солнце и дожди, уголь, уран и водород. Впрочем, и дожди, и уголь в конце концов без Солнца были бы невозможны. Хотя энергия сохраняется, природа, по всей видимости, этим ничуть не интересуется; она освобождает из Солнца множество энергии, но только одна двухмиллиардная часть ее падает на Землю. Природа сохраняет энергию, но в действительности о ней не заботится, расточая ее направо и налево. Мы уже получаем энергию из урана, мы можем получать ее и из водорода, но пока это получение связано со взрывами, с большой опасностью. Если бы мы смогли научиться управлять термоядерными реак­циями, то энергия, которую можно получать, тратя по 10 л воды в секунду, равнялась бы всей электроэнергии, производимой сей­час за это время в Соединенных Штатах. Шестисот литров реч­ной воды в минуту хватило бы, чтобы снабжать энергией всю страну! Именно физикам придется придумать, как избавить нас от нужды в энергии. И это, бесспорно, достижимо.

* Нас здесь интересует не столько итоговая формула (4.3) (она вам, должно быть, знакома), сколько возможность получить ее теоретическим

путем.

Глава 5

ВРЕМЯ И РАССТОЯНИЕ

§ 1. Движение

§ 2. Время

§ 3. Короткие времена

§ 4. Большие времена

§ 5. Единицы и стандарты времени

§ 6. Большие расстояния

§ 7. Малые расстояния

§ 1. Движение

В этой главе мы рассмотрим понятия время и расстояние. Мы уже говорили, что физика, как, впрочем, любая другая наука, основы­вается на наблюдениях. Можно даже сказать, что развитие физических наук до их современ­ного уровня в огромной степени зависело от фактов, основанных на количественных наблю­дениях. Только с помощью количественных наблюдений можно получить количественные соотношения — сердце современной физики.