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

Бор даже готов был допустить, что закон сохранения энергии выполняется для квантовых объектов только в среднем, а в отдельных событиях может нарушаться. Уточненные измерения со временем показали, однако, что следствия из этой идеи плохо согласуются с опытом: закон сохранения энергии «устоял», и к 1934 г. на первый план вышла гипотеза, что «пропажа кубика» объясняется неизвестной частицей, которая тоже возникает при превращении нейтрона в протон, унося часть энергии с собой. Ее прямое экспериментальное открытие состоялось только в 1956-м[308]. В данном случае закон сохранения энергии исполнил роль указания искать неучтенное.

Никакого обмена неразменными единицами («кубиками») нет, а есть только правила подсчета, но баланс всегда сохраняется. Способы «подсчета кубиков», обеспечивающие сохранение, включают несколько форм энергии, и все, что происходит во Вселенной, сопровождается переходами энергии из одной формы в другую[309]. Среди различных форм энергии имеются энергия движения (кинетическая); ее вариант в виде энергии теплового движения молекул газа или жидкости; энергия колебаний атомов в твердом теле; энергия электромагнитного поля и ее проявления в виде энергии химических связей; ядерная энергия; энергия гравитационного притяжения. Следствием теории относительности является эквивалентность массы и энергии, выражаемая в Самой знаменитой формуле E = mc2, которая относится к покоящемуся телу массы m. Если же тело (или в действительности что угодно) движется и имеет при этом количество движения p, то энергия выражается и через массу, и через количество движения: Скорость света фигурирует в этих соотношениях в качестве фундаментальной постоянной Вселенной; без нее нельзя обойтись, потому что мы привыкли измерять массу и энергию в разных единицах: энергию в «энергетических», а массу в граммах, килограммах или еще чем-то таком, и нам требуется «курс» перевода из одних единиц в другие. (Если бы люди «сразу догадались», что энергию можно измерять так же, как массу, – например, в килограммах, – то формула Эйнштейна приняла бы вид E = m).[310] Любое равенство можно, разумеется, читать справа налево или слева направо. Эйнштейн первоначально ставил вопрос о мере инертности (т. е. массе), которой обладает любая энергия: она оказалась равной E/c2. Например, газ, нагретый в замкнутом сосуде, имеет массу чуть бóльшую, чем холодный газ, из-за того что энергия движения молекул обладает массой. Но поскольку прибавку к энергии надо все-таки делить на c2, прибавка к массе получается ничтожная. Противоположная картина наблюдается при аннигиляции: там энергия, уносимая главным образом светом, получается умножением массы на c2 и оказывается впечатляюще большой уже для скромной, по нашим меркам, массы.

Еще один аспект сохранения энергии – локальность; это свойство не очень хорошо иллюстрируется метафорой кубиков. Оно означает, что убыль полной энергии в пределах моей комнаты не может компенсироваться появлением того же количества энергии в доме напротив, если между ними нет потока энергии (в виде перенесенных предметов, электромагнитного излучения или еще чего-то подобного). Увеличение или уменьшение полной энергии внутри некоторого объема должно в точности равняться потоку энергии, прошедшему через границы этого объема. Это верно совершенно всегда для малых объемов, а для больших верно до тех пор, пока не возникает сложности с их складыванием из малых. Сложности же возникают при наличии гравитационного поля в рамках общей теории относительности. Во-первых, энергия становится частью более общей конструкции, включающей, кроме того, количество движения, а также компоненты давления и натяжений; требуется внимание к тому факту, что разные наблюдатели поделят эту общую конструкцию на энергию и остальное по-разному. Но главная сложность в том, что заявление о глобальном сохранении энергии требует сравнения между собой отстоящих друг от друга частей мира (насколько больше энергии втекло через одну поверхность, чем вытекло через другую), а для такого сравнения необходимо что-то вроде параллельного переноса из одного места в другое. Но параллельный перенос определяется гравитационным полем, и в результате это поле замешивается в закон сохранения энергии. Приходится учитывать получаемую им или отбираемую у него энергию; однако энергия поля не локализована в одном месте, а распределена всюду, где есть поле. Альтернатива состоит в том, чтобы считать, что при наличии гравитационного поля энергия глобально не сохраняется. Так нравится думать многим космологам, и они не сильно переживают по этому поводу, потому что такое несохранение «из-за трудностей сравнения» не открывает возможность внезапного появления огнедышащих единорогов из ничего. Локальное же сохранение энергии остается универсальным для нашей Вселенной регуляторным принципом.

Приложение В

Элементарные частицы в азартном изложении

На стол колоду, господа! Крапленая колода!

В. Высоцкий

На наших прогулках эпизодически встречаются элементарные частицы. Имеет смысл собрать минимально необходимые подробности в одном месте. Сюда относится как общее понимание, что это за явления, так и наблюдения о том, с какой конкретной «раздачей» на руках мы оказались в этой Вселенной. Сначала несколько самых общих моментов.

1. Элементарные частицы – это сущности, которые по современным представлениям не состоят ни из каких деталей. Это довольно обязывающее свойство, потому что сводит все возможные различия между разными элементарными частицами к числам; эти числа (скажем, массы и заряды) никак больше прокомментировать нельзя, потому что нет места ни для каких «объясняющих» подробностей.

2. Список чисел, определяющих каждую элементарную частицу, закрытый. К нему нельзя добавить что-то еще для того, чтобы различать, например, два электрона. Этому «еще» там просто негде поместиться. В результате все элементарные частицы одного вида неразличимы.

3. Ни одна элементарная частица не является «неуничтожимой». Наоборот, они появляются и исчезают, превращаясь друг в друга, с соблюдением законов сохранения (в том числе законов сохранения энергии и электрического заряда).

4. При этом элементарные частицы – возбуждения соответствующих квантовых полей (говорят еще «кванты» соответствующих полей). Минимальные пояснения к этому таковы: квантовое поле способно «на постоянной основе» обладать энергией лишь в дискретных порциях, и наименьшая такая порция называется его квантом; кванты имеющихся во Вселенной фундаментальных полей и представляют собой все известные элементарные частицы. (Открытие новой элементарной частицы означает открытие нового квантового поля.)

И одно уточнение вдогонку. Произошедшие изменения в понимании природы оставляют место для небольшой путаницы в использовании термина «элементарный». Сначала к элементарным частицам относились электрон, протон и нейтрон; затем добавились мюон и нейтрино. В конце 1940-х гг. экспериментально обнаружили пи-мезоны, а