Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Шрифт:
Рис. 3.6.Даже если объект неподвижен, он может все же обладать энергией благодаря своему положению: эта форма энергии известна как потенциальная энергия. Слева тяжелый груз готов к опусканию. Справа тяжелый груз опустился на платформу, и в процессе этого был поднят легкий груз. Таким образом тяжелый груз совершил работу, и поэтому он должен был обладать энергией с самого начала. Эта энергия и была его начальной потенциальной энергией.
На этом этапе мы видим, что существуют две формы энергии, кинетическая энергия (способность производить работу благодаря движению) и потенциальная энергия (способность производить работу благодаря положению).
Ну, не совсем все. Всего мы еще не знаем, как вы можете судить по числу страниц в этой главе, еще не прочитанных вами, и тому факту, что другие главы тоже развивают концепцию энергии. Энергия заслуживает всего этого пространства текста, потому что она является центральным понятием для Вселенной, для всех ее структур и событий. В самом деле, двумя великими основаниями науки являются причинность, влияние одного события на события последующие, и энергия. Причинность есть по существу связность и согласованность цепочки команд, поддерживающей движение во Вселенной, которую мы распутываем, чтобы достичь понимания; энергия всегда бдительно стоит на страже приличий, гарантируя, что причинность будет производить лишь допустимые действия. Как мы увидим дальше, энергия есть поистине конвертируемая валюта космической бухгалтерии.
Давайте подробнее рассмотрим понятие энергии. Потенциальная энергия является потенциальной потому, что ее можно конвертировать в vis viva, действующую энергию, кинетическую энергию. Предположим, мы обрезаем шнур, удерживающий груз на высоте. Он срывается вниз (мы действуем на Земле, в земном гравитационном поле) и ускоряется при падении. В момент, предшествующий его удару о землю, он приобрел много кинетической энергии и утратил всю свою потенциальную энергию. Он все еще имеет возможность совершить работу. С помощью устройства, спроектированного подходящим образом, мы можем уловить эту кинетическую энергию, позволив падающему грузу ударить по рычагу, который подбросит другой груз вверх, подобно старинному ярмарочному аттракциону для силачей, когда ударом молота по рычагу отправляли груз вверх по направлению к колоколу (рис. 3.7). Разумеется, такой аттракцион является прекрасным конспектом основного содержания этой главы. Мы должны заключить, что потенциальная энергия и кинетическая энергия беспрепятственно взаимно конвертируются.
Рис. 3.7.В этой абстрактной схеме ярмарочной машины «испытай свою силу» кинетическая энергия груза, падающего слева, заставляет подняться вверх шар справа. Кинетическая энергия падающего груза (возможно, молота) превращается в работу по поднятию шара.
Из эксперимента, который мы проделали, также следует, что полная энергия, сумма потенциальной и кинетической энергий первого груза, является постоянной. Таким образом, мы приходим к сохранению энергии, к наблюдению, что энергия никогда не может возникнуть или уничтожиться, что полная энергия неизменна. Это заключение может быть формально доказано с помощью второго закона Ньютона,
Два других закона сохранения, с которыми мы столкнулись (законы сохранения импульса и момента импульса), были связаны с симметрией и говорили нам нечто о форме пространства. Теперь на ум приходит очевидный вопрос, не является ли сохранение энергии следствием симметрии, и если да, то какой? В главе 9 мы увидим, что нужно думать не о пространстве в отдельности, а о пространстве-времени, а времени необходимо предоставить равные права с пространством. Нам, возможно, удастся почувствовать, что, в то время как сохранение импульса произрастает из формы пространства, сохранение энергии происходит из формы времени. Это действительно именно так, тот факт, что энергия сохраняется, является следствием того факта, что время не кусковато: оно гладко простирается из прошлого в будущее без сплющенных или растянутых участков. Связь между законами сохранения и пространством-временем столь глубока, что законы сохранения выживают, даже когда ньютоновские законы движения рушатся, ибо сохранение импульса и энергии остаются в целости в релятивистской и квантовой механиках.
Поскольку второй закон Ньютона является по существу утверждением о сохранении энергии, мы можем видеть, что этот закон является прямым следствием гладкости времени, также как третий закон является прямым следствием гладкости пространства. Такое объяснение большинство ученых считают сегодня более убедительным, чем пылкий религиозный энтузиазм Томсона и многих его современников, считавших сохранение энергии следствием щедрости Бога. Бог, утверждали они, одарил мир энергией, и эта энергия, будучи божественной, не может ни уменьшиться от человеческого вмешательства, ни быть уничтоженной никакими нашими действиями.
Анализ поведения частиц в терминах кинетической энергии, потенциальной энергии и сохранения энергии превратил энергию в конвертируемую валюту физики в 1867 г. вследствие публикации авторитетного труда Томсона и Тейта «Курс натуральной философии». К тому времени уже возникло понимание, что концепция энергии помогает свести воедино все части физики. Так в 1847 г. ученый-универсал Герман фон Гельмгольц (1821-94) использовал эту концепцию, чтобы показать внутреннее единство механики, света, электричества и магнетизма. Но несмотря на этот успех, существовала докучная проблема, которая угрожала всему сооружению, проблема тепла.
Тепло долго было таинственным явлением, до тех пор, пока разработка парового двигателя и зависимость от него национальных экономик, а следовательно, успех в войне и торговле, не выдвинули его в центр внимания науки. Проблема, однако, была не только в том, что природа тепла была неизвестна, но и в том, что этот вопрос, казалось, лежал за пределами достижений современной физики.
Долгое время многие считали, что тепло является жидкостью, которой даже дали название теплород(или калорик, от латинского color, тепло), одной из тех «неощутимых», невесомых жидкостей, которые так любили ранние исследователи. Теплород был не только неощутимым (и, следовательно, очень удобно недоступным для обнаружения путем взвешивания), он также был «тонким», в том смысле, что везде мог проникать, даже между телами, плотно сомкнутыми вместе. Мы можем посмеиваться над этими ложными представлениями, но и сегодня не каждый может объяснить, что такое «тепло», и более того, лексика, связанная с теплородом, все еще пропитывает повседневный язык: мы говорим о тепле, текущем, как жидкость, от горячего тела к холодному.
Теплород изгнал из науки в 1798 г. ученый, изобретатель, политик, бабник, солдат, святоша, государственный муж, реформатор и шпион Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (1753-1814). Томпсон родился в Массачусетсе, бежал в Англию в 1776 г., основал в 1799 г. Королевское общество и переехал в Баварию, где был назначен военным министром, министром внутренних дел, гофмейстером двора, статским советником и графом Священной Римской империи. Он выбрал себе титул по имени города Румфорд (позже Конкорд) в Нью-Гемпшире, где родилась первая из его жен. Изгнание теплорода произошло в результате наблюдений Румфорда за рассверливанием ствола пушки, который он курировал в мюнхенском арсенале. Он записал: