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

в 1930 году Вольфганг Паули. В 1956 году, после долгих и трудных поисков частица в конце концов была экспериментально обнаружена [8]. Этот эпизод показывает, что закон сохранения энергии в каком-то смысле напоминает известное «правило Дэвида Юма» о чудесах, – согласно этому правилу, разумнее не поверить тому, кто рассказывает о чуде, чем поверить в то, что он рассказывает. Поэтому ученые воспринимают любое сообщение о нарушении сохранения энергии с крайним скепсисом. Как и в приведенном примере, в каждом таком случае закон ставился под сомнение, ситуация тщательно проверялась, и сохранение энергии неизменно подтверждалось. Нельзя, однако же, не признать, что в неисследованных частях космоса могут еще таиться драконы и что в каких-то пока неизвестных нам событиях сохранение энергии нарушается.

В свое время, а именно в главе 8, мне придется вернуться к этому вопросу в связи с великой идеей, просветляющей человеческую мысль, хоть и повсеместно неверно интерпретируемой, – принципом неопределенности Гейзенберга. Некоторые считают, что этот принцип открывает в законе сохранения энергии лазейку, позволяющую энергии флуктуировать на очень короткой шкале времени. На более широком временном масштабе и в общепринятых ситуациях сохранение энергии является основой невозможности вечного двигателя, то есть производства работы без потребления топлива. Действительно, одно из проявлений этого закона – крах множества отчаянных попыток построить механизм, находящийся в состоянии вечного движения. На протяжении веков всяческие шарлатаны снова и снова объявляли о том, что им наконец это удалось – но нет, вечный двигатель так и не создали, и сейчас уже ясно, что эта задача решена быть не может. Данный экспериментальный факт, лишающий нас всякой надежды на получение бесконечного количества даровой энергии, а вследствие этого и на какие-либо перспективы бесконечного благоденствия, стал одним из оснований целой большой группы законов природы – законов термодинамики, к которым я вернусь в главе 5. Шарлатаны, правда, не унимаются – подстегиваемые мечтой о фантастическом богатстве, они продолжают время от времени предлагать все новые и новые хитроумные конструкции машин, производящих работу из ничего; но каждый раз все кончается для них позорным крахом и насмешками, а доверие к закону становится еще сильнее. До некоторой степени мы должны быть благодарны этим беднягам (как, конечно, и их оппонентам – честным труженикам, взявшим на себя нелегкую задачу опровергать их заявления) за то, что неудачи их упорных, агрессивных, одержимых нападок на закон сохранения энергии привели только к укреплению убежденности в его справедливости.

У этого закона есть много других подтверждений. На нем основаны все вычисления движений частиц по законам ньютоновской механики, и хотя в некоторых случаях наблюдаются отклонения от ее предсказаний, они всегда объясняются хорошо известными причинами. Расчеты квантовой механики тоже базируются на предположении о справедливости закона, а они неизменно с высокой точностью соответствуют наблюдениям. Для сомнений в том, что энергия сохраняется, и притом сохраняется в точности, места не остается.

Но как ни огромна важность закона сохранения энергии в техническом и экономическом отношении, как ни универсальна его роль в решении физических задач, в структуре любого учебника физики, на деле он еще важнее, чем кажется. На нем зиждется «причинность», с виду неопровержимое утверждение, что каждое событие обусловлено событием предыдущим. Не будь причинности, мир сделался бы непредсказуемым. Вселенная превратилась бы в хаотическую свалку не связанных друг с другом происшествий. Причинность дает нам шанс на понимание природы: от каждой причины мы можем проследить цепь ее следствий, для каждого события – восстановить его причину. Причинность позволяет найти в мире порядок и систематическое поведение, управляемое законами природы, и, следовательно, именно из нее рождаются воплощенные в науке формы познания. Сохранение энергии играет в причинности центральную роль, накладывая на возможности осуществления событий мощные ограничения: в любом событии энергия должна сохраняться. Требование сохранения энергии можно сравнить с суровым, недремлющим и неподкупным полицейским надзором, запрещающим малейшее отклонение от закона, который ограничивает содержание энергии в мире единым, раз навсегда установленным и неизменным в космических масштабах значением. Если бы энергия не сохранялась, ограничения на возможные действия, вызванные какой-либо первопричиной, были бы менее строгими, а это могло бы привести к нарушению причинности. Да, существуют и другие ограничения, но понятие энергии настолько важно для поведения любого объекта, настолько универсально, что сохранение этой величины имеет первостепенное значение. Как я уже отмечал в главе 1, закон сохранения энергии – царь всех «внутренних» законов, основной первозакон природы.

* * *

Так почему же сохраняется энергия? Каково происхождение этого наивысшего закона? Вот тут-то и появляется Эмми Нётер, и освещает голую пустоту, о которой я призвал вас задуматься, сиянием своей великолепной теоремы. Центральный момент построенного Нётер доказательства происхождения сохранения какой-либо величины из связанной с этой величиной симметрии заключается в том, что в конкретном случае сохранения энергии, на котором мы сейчас и сосредоточились, оно проистекает из однородности времени. Эта однородность и создает симметрию, позволяя тем самым применить теорему Нётер.

Что же эта однородность означает на практике? На первый взгляд однородность времени значит, что, независимо от того, выполните вы один и тот же эксперимент в понедельник, четверг или в любой другой день, вы получите один и тот же результат. Другими словами, период колебаний маятника или высота, которой достигнет подброшенный мяч, будут одними и теми же, если, конечно, все остальные условия проведения эксперимента не изменятся. Чтобы выразить обусловленную однородностью времени независимость законов природы от момента, в который они применяются, мы называем эти законы «инвариантными по времени». На практике такая инвариантность означает, что если ваше уравнение описывает некоторый процесс в определенный момент времени, то же самое уравнение будет описывать этот процесс и в любой другой момент. В общем, законы природы не изменяются с течением времени. Следствия, вытекающие из этих законов, измениться могут – планета может оказаться на другой орбите, вы можете подбросить мяч сильнее, чем собирались, – но сами законы остаются инвариантными.

Теперь давайте попробуем взглянуть на это поглубже. Чтобы законы природы были инвариантными по времени, само время должно течь равномерно. Оно не может сначала замедлиться, потом ускориться, а потом вообще почти замереть. Подумайте, как бы выглядел полет мяча, или, в большем масштабе, движение планеты по ее орбите, если бы время на каком-то участке их траектории сжималось, а на другом – расширялось. Невозможно себе представить, что могла бы быть построена динамическая теория их движения. Мяч казался бы то ускоряющимся, то замедляющимся, то повисающим в воздухе при отсутствии каких-либо сил, заставляющих его это делать. В понедельник закон движения был бы одним, в четверг – другим.