Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

Энергия – двигатель эволюции во времени

И абсолютно фундаментальное обстоятельство во всей истории про энергию состоит в том, что в каждой изолированной системе ее количество сохраняется. Сохранение энергии – один из главных «стабилизаторов» нашей Вселенной: здесь, например, не случаются сказочные появления чего-то из ничего или исчезновения в никуда, потому что они потребовали бы внезапного появления или исчезновения энергии. В комнате перед вами не может «из ниоткуда» появиться огнедышащий единорог. Фундаментальные законы природы не запрещают огнедышащих единорогов (известные нам способы организации живой материи делают это затруднительным, но «трудно» не значит «в принципе невозможно»). Но фундаментальные законы природы требуют, чтобы энергия, заключенная в единороге, попала в вашу комнату каким-либо способом – по проводам или в чемодане – через дверь, окно, стены, пол или потолок. Без этого создать единорога не просто трудно, а невозможно. (А если в момент «до» требуемая энергия была заключена в волшебной палочке, то она должна там как-то помещаться: в частности, масса палочки «до» должна быть равна массе палочки «после» в сумме с массой единорога.) Весьма актуальна проблема доставки: если вы хотите, чтобы в некотором объеме пространства произошло что-нибудь выразительное, вам необходимо придумать, как доставить туда энергию[307].

Но при всем том довольно трудно определить, что же такое энергия. Я знаю, что длинные цитаты нарушают правила хорошего тона, но цитата из Фейнмана того стоит.

Представим себе мальчишку, пусть его зовут Несносный Деннис, у которого есть кубики, которые совершенно невозможно разломать и разделить на части. Все кубики полностью одинаковые. Пусть у него, скажем, 28 кубиков. Утром мама оставляет его в комнате с этими 28 кубиками. Вечером она из любопытства тщательно пересчитывает кубики и открывает удивительный закон: что бы он ни делал с кубиками, их число всегда остается равным 28! Так продолжается в течение нескольких дней, пока однажды она не обнаруживает, что кубиков только 27; правда, небольшое расследование показывает, что один кубик оказался под ковром. Ей приходится заглядывать повсюду, чтобы удостовериться, что число кубиков не изменилось. Но однажды количество кубиков все-таки меняется: их оказывается только 26. Тщательное расследование показывает, что в комнате открыто окно; выглянув наружу, она находит два недостающих кубика. Но в другой раз подсчет показывает, что кубиков 30! Это вызывает заметное смятение, пока не выясняется, что в гости со своими кубиками приходил Брюс. Уходя, он оставил два из них у Денниса. Избавившись от лишних кубиков, мама запирает окно и больше не пускает Брюса. Все снова идет хорошо до того момента, когда, пересчитывая кубики, она не выясняет, что их 25. Правда, в комнате имеется коробка – ящик для игрушек – и мама собирается ее открыть, но мальчик говорит ей: «Нет, не открывай коробку!» – и начинает реветь. Маме нельзя открывать коробку. Но необычайно любопытная и довольно изобретательная мама разрабатывает план! Она знает, что кубик весит три унции, поэтому она взвешивает коробку, когда на месте все 28 кубиков, и получает вес, равный 16 унциям. Устраивая проверку в следующий раз, она снова взвешивает коробку, вычитает из веса 16 унций и делит результат на три. Она приходит к открытию, что

В дальнейшем снова наблюдаются некоторые отклонения, но внимательное исследование показывает, что меняется уровень грязной воды в ванной. Ребенок бросает кубики в воду, а маме не видно их в грязной воде. Но она узнает, сколько кубиков находится в воде, добавив к своей формуле еще одно слагаемое. Поскольку исходный уровень воды равен шести дюймам, а каждый кубик поднимает воду на четверть дюйма, новая формула получается такой:

По мере постепенного возрастания сложности мира она открывает целый ряд слагаемых, представляющих собой способы вычисления количества кубиков в тех местах, куда ей не заглянуть. В результате она получает сложную формулу – величину, которую ей нужно подсчитать и которая в ее ситуации всегда остается одной и той же.

Какова здесь аналогия с сохранением энергии? Главный аспект, в отношении которого от этой истории следует абстрагироваться, состоит в том, что никаких кубиков нет. Стоит только убрать первые слагаемые в [двух выписанных выше] формулах, как окажется, что вы вычисляете более-менее абстрактные вещи. Аналогичны же вот какие моменты. Во-первых, когда мы вычисляем энергию, часть ее иногда покидает систему и уходит, а иногда какая-то энергия в систему поступает. Чтобы удостовериться в сохранении энергии, следует проявлять аккуратность в том, чтобы ничего не приходило и не уходило. Во-вторых, у энергии имеется большое число различных видов, и для каждого есть своя формула. ‹…› Если мы соберем вместе формулы для всех этих вкладов, то энергия не будет меняться, кроме как в тех случаях, когда она уходит наружу или приходит извне.

Важно осознавать, что в рамках сегодняшней физики мы не знаем, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия состоит из маленьких капель точно определенного размера. Вовсе нет. Однако у нас имеются формулы для подсчета некоторой численной величины, и, когда мы складываем все результаты, получается «28» – всегда одно и то же число. Это абстракция, потому что в ней ничего не говорится ни про механизм, ни про причины, стоящие за различными формулами.

Канонический пример «пропажи кубика» – история открытия нейтрино. Эта элементарная частица крайне неохотно взаимодействует с чем бы то ни было, а потому очень слабо себя проявляет; о ее существовании и не подозревали, пока не обнаружилось нарушение закона сохранения энергии (а заодно и количества движения) в процессе превращения нейтрона в протон. С сохранением электрического заряда проблемы не было, потому что превращение сопровождается появлением электрона, но баланс энергии до и после превращения не сходился. Эти первые наблюдения делались в то время, когда сам нейтрон был только-только открыт, и даже до открытия нейтрона в 1932 г., поскольку эффект его превращения в протон внутри некоторых атомных ядер был уже известен как один из видов радиоактивности – вылет электрона из ядра. Квантовой механике было всего несколько лет от роду; оставалось не вполне ясно, где предел отличий квантового мира от привычного классического.