В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

движения; другая, потенциальная – от квадрата смещения [46]. Каждая из этих форм энергии подпитывает другую, и в результате мы получаем их регулярный обмен. Наблюдая качания маятника, мы замечаем, что он приостанавливается в поворотной точке полного размаха, где его кинетическая энергия обращается в нуль, но потенциальная энергия максимальна. В ходе ускорения груза маятника эта потенциальная энергия снова переходит в кинетическую. В краткий миг, когда нить маятника вертикальна, груз движется быстрее всего: всю свою потенциальную энергию он потерял, а кинетическая максимальна. Теперь уже кинетическая энергия начинает переходить в потенциальную, – груз замедляется, поднимаясь в свою высшую точку на другой стороне размаха. Симметрия этого перетекания энергии сохраняется независимо от амплитуды размаха, – маятник пульсирует, как сердце часов.

Чтобы поглубже проникнуть в суть этой симметрии, я хочу сделать одно замечание, но к нему понадобится небольшое вступление. Есть два способа смотреть на мир. Его можно описывать либо через положения предметов, либо через их количества движения (в главе 2 я ввел понятие количества движения как произведение массы на ускорение). До сих пор я описывал Ничто через положения: я говорил, что Ничто очевидным образом однородно – ведь невозможно представить себе холмы и впадины в абсолютной пустоте, это как минимум оксюморон. Однако представим себе, что мы сменили оптику и теперь смотрим на Ничто с точки зрения количества движения. Этот процесс вовсе не такой уж нелепый, каким может с первого взгляда показаться, – существуют методы исследования вещества, которые сводятся именно к этому. Таким путем, например, сделано множество великолепных открытий в биологии (таких, как определение структуры ДНК). Я имею в виду технику рентгеновской дифракции, когда пучок рентгеновских лучей проходит сквозь кристалл и рассеивается (а точнее, испытывает дифракцию) с образованием картины пятен, из которой можно извлечь информацию о пространственном распределении. Эти пятна по сути отражают структуру молекулы, рассматриваемую через призму количества движения[47].

Вероятно, вы согласитесь, что, когда вы рассматриваете Ничто через ваши новые очки, вы по-прежнему не увидите ничего. Это новое видение Ничего столь же однородно, как и прежнее, основанное на положениях. Раз это так, и если вы продолжаете соглашаться с тем, что при сотворении мира ничего особенного не произошло, тогда получается, что непосредственно после возникновения Вселенной она должна была оставаться однородной в смысле количества движения. Следствие этой однородности – независимость законов природы от скоростей чего бы то ни было. При условии, что наблюдатель и наблюдаемый объект движутся с одинаковой скоростью (так, что нам не надо беспокоиться об относительности), законы для них должны быть одинаковы. Например, качания маятника подчиняются одному и тому же закону, независимо от того, движутся ли часы, в которых установлен этот маятник, со скоростью 100 м/c или покоятся. (Отклонения появились бы, если бы часы находились в покое, а вы в движении, но это уже совсем другая история, здесь в игру вступает теория относительности: см. главу 9.)

Вселенная обладает глубокой симметрией, когда она описывается в терминах положений и количества движения. Эта симметрия проявляется в колебаниях маятника. Энергия качающегося маятника (а на самом деле любого осциллятора, например груза на конце пружины) состоит из двух эквивалентных частей, симметричных относительно пространства и количества движения. Когда маятник качается, энергия перетекает из его количества движения в смещение и обратно. Если вы снимете ваши повседневные очки и наденете другие, способные видеть количество движения, то поймете, что никакой разницы между этими способами видения не существует. Там, где раньше вы видели смещение, теперь вы увидите количество движения, и наоборот. Именно эта симметрия и лежит в основе ритмичных и непрестанных колебаний маятника, груза, подвешенного на пружине, или осцилляций часового маховика.

* * *

В этой главе неведение завело нас далеко, и вдруг оказалось, что, если оно направлено в верное русло, оно становится основой знания. Один из видов такого неведения – отсутствие знания о поведении индивидуальных сущностей. Оно вынуждает нас, подобно социологам, прибегать к оцениванию поведения толпы – в нашем случае молекул газа. В результате мы обнаруживаем, что газ подчиняется определенным законам, которые затем с большим успехом применяются к термодинамике. Затем мы столкнулись и с другим видом неведения, касающегося поведения сущностей, – я имею в виду не только маятники и пружины, но и многое другое. Будучи слегка смещенными из состояния покоя, все эти сущности, за исключением некоторых особых случаев, склонны вести себя одним и тем же характерным образом, и в этом проявляются законы, объясняющие такое их поведение. В качестве бонуса мы обнаруживаем, что в этом поведении проявляется еще одна глубокая симметрия Вселенной, которая порождена ее происхождением из однородного Ничего.

7

Атака легкой кавалерии

Законы электричества и магнетизма

Законы электричества и магнетизма играют в Природе особую роль – не только потому, что они лежат в основе нашего существования и строения, но и потому, что именно на них зиждется большая часть всех наших дел и развлечений. Живительная энергия Солнца приходит к нам в виде электромагнитного излучения. Там, куда попадают солнечные лучи, происходит фотосинтез [48], порождающий нашу биосферу, – благодаря ему неорганическая поверхность Земли покрывается лесами, лугами и прериями, а водные пространства наполняются водорослями. Та же жизненная сила населяет землю, воду и воздух подвижными организмами; в конечном счете именно она обеспечивает нас питанием, а питание пробуждает наши творческие силы и стремление к удовольствию. Если перейти на более фундаментальный уровень, то электромагнитные силы удерживают вместе атомы и молекулы. Они отвечают за существование всего многообразия форм осязаемой материи. Эти силы делают возможными перемещение и связь как на элементарных и повседневных, так и на самых изощренных уровнях – и в результате составляют неотъемлемую часть человеческой деятельности: развлечений, войн, торговли, борьбы за выживание, – одним словом, нашего существования.

Теперь я перейду к другому аспекту этих законов, связанному с объединением электричества и магнетизма в электромагнетизм. Унификация всех сил, описание их всех как проявлений единой материнской силы – сокровенная цель и мечта физики. Достижение этой цели, сейчас представляющееся нереально далеким, но тем более манящим, показало бы, что с виду разношерстное скопище действующих в мире сил обладает внутренним единством, что мир проще суммы своих видимых проявлений, которые не стоит, как мы это сейчас делаем, принимать за чистую монету. Разномастное множество законов, которые описывают действия этого скопища сил, слилось бы тогда в единый закон, происхождение которого было бы, возможно, легче обнаружить.

В поисках этого «священного Грааля» физики главная роль принадлежит симметрии. В предыдущих главах я уже