Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
Общую математическую теорию пространства различного типа первым разработал немецкий математик Бернгард Риман. В его теории пространство может быть скрученным и изогнутым, причем в различных точках по-разному, может иметь разрывы и дырки, быть многомерным.
Древнегреческий ученый Пифагор был убежден в том, что законы мира — это законы чисел. Все свойства и закономерности природы, считал Пифагор, а вслед за ним и его ученики, проистекают из математики. По их мнению, это самое первичное, что есть в мироздании. В законах чисел, как в курином яйце — цыпленок или в бутоне — роза, заложена возможность материального «раскрытия мира». Сначала пифагорейцам казалось, что наконец-то понята таинственная суть мироздания, причина его удивительной симметрии, порядка и целесообразности. И вдруг обнаружилось, что некоторые
Подобные коллизии случались и позднее. Природа любит преподносить ученым сюрпризы как раз тогда, когда какие-либо ее конкретные свойства и законы объявляются универсальными, действующими всегда и всюду.
В мире все имеет свою конкретную, ограниченную область применения, и мы должны быть готовы к тому, что наука еще откроет диковинные свойства пространства и времени, которые мы сейчас не можем себе и представить, а известные нам свойства, наоборот, в области новых явлений утратят свое значение.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ,
в которой обсуждаются «школьные» вопросы: что такое энергия и всегда ли она сохраняется? Читатель узнает о глубокой связи между энергией и временем и об удивительных парадоксах теории относительности
Во всех предыдущих главах, шла ли речь о явлениях внутри элементарных частиц или о процессах в далеком космосе, всегда упоминалась энергия. Она — краеугольный камень современной науки. Не исчезает, и не возникает, только переходит из одной своей формы в другую. Но ведь мы сказали, что в мире нет абсолютных свойств, почему же мы тогда так уверены в универсальности энергии?
Странный вопрос, скажет читатель. Ведь еще более 200 лет назад Парижская академия вынесла решение не рассматривать проектов вечного двигателя и только потому, что всякому двигателю нужна энергия... Верно, а как быть, если в каких-то процессах энергия просто не существует, когда нельзя даже ввести такого понятия?
Но тогда нет и массы, возразят мне, ведь из теории относительности известно, что энергия и масса, пропорциональны друг другу, вспомните знаменитую формулу Е=mc2 !
Вот как раз в общей теории относительности и проявляются трудности с энергией и массой. Да еще такие, что некоторые ученые сомневаются в ее справедливости. Не так уж много, говорят они, у этой теории экспериментальных подтверждений... Как бы то ни было, именно в этой области сегодня центр споров и теоретических дискуссий.
Еще древние греки пришли к мысли о том, что ничто в природе не исчезает без следа и не возникает из ничего. Но строгое количественное выражение эта мысль получила значительно позже. Наш соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов и французский химик Антуан Лавуазье сформулировали закон сохранения вещества, а 100 лет спустя, в середине прошлого века, немецкие ученые Роберт Майер, Герман Гельмгольц и английский инженер Джеймс Джоуль установили закон сохранения и превращения энергии.
И как это часто бывает с великим открытием, его идея витает, в воздухе, догадки и намеки встречаются в работах многих современников, и вместе с тем решающий шаг требует не только гениальной интуиции, но и просто большой силы воли и смелости. Новую идею легко критиковать — одним она кажется ненужной и необоснованной, другие указывают на ее логическое несовершенство, третьи борются с ней потому, что не доверяют ее автору.
Майеру его открытие принесло несчастье. Мысль о сохранении и превращении энергии пришла к нему во время морского путешествия, в тропиках, когда он, будучи судовым врачом, оперировал больного. Он заметил, что у того венозная кровь не такая темная, какой она
Идея о круговороте энергии, о бесконечной ее циркуляции из одних форм в другие целиком завладела Майером, и всю последующую жизнь он посвятил ее доказательству. К сожалению, его рассуждения на первых порах содержали много неточностей физического характера, будучи основанными на примерах из физиологии и химии, они с трудом воспринимались физиками. Близкие люди совсем его не понимали; его одержимость научной идеей они принимали за помешательство. Он пытался покончить самоубийством, получил тяжелое воспаление мозга и несколько лет провел в доме для душевнобольных.
С позиции современных знаний просто поразительно, почему с таким трудом воспринималась мысль о том, что всеми явлениями природы «управляет» одна и та же величина — энергия, которая никогда не исчезает, а только переходит из одного своего вида в другой. А ведь частные случаи этого закона были хорошо известны, например для механических процессов (именно к этому случаю и относилось решение французских академиков не рассматривать проектов вечного двигателя).
Крупные теоретические обобщения всегда сопровождаются ломкой привычных представлений и поэтому принимаются с большим трудом. Сто лет назад сопротивление и споры вызывала идея всеобщности энергии, а теперь многим из нас кажется невероятной мысль о том, что в природе могут быть явления, в которых нет энергии. Мы привыкли считать энергию абсолютной, универсальной величиной, существующей и применимой всегда и всюду. Теории, в которых нет закона сохранения энергии, обычно уже заранее трактуются как неверные. Но оправдано ли это? Не напоминает ли эта предвзятость знаменитый аргумент из чеховского «Письма к ученому соседу»: «...этого не может быть, потому что этого не может быть никогда»? Когда дело касается новой теории, категориями «возможного» и «невозможного» следует пользоваться очень осторожно. Процессы или соотношения, невозможные в круге одних, привычных явлений, могут стать возможными в круге других явлений. Заведомо неверными следует считать лишь те теории, которые противоречат законам природы в той области, где они, эти законы, хорошо и надежно проверены.
Долгое время законы сохранения вещества и энергии существовали порознь, пока специальная теория относительности не объединила их с помощью упоминавшегося уже соотношения = mc2. Получается, что масса и энергия неразрывно связаны между собой, и в системе, где скорость света равна единице, они просто равны друг другу. Однако из этого вовсе не следует, что вещество — не что иное, как «уплотненная» энергия. Ведь масса — не само вещество, а одно из его свойств, величина его инертности, сопротивляемости изменению движения. И вот эта величина равна энергии — другой величине, характеризующей движение.
В научно-популярной, а иногда и в специальной литературе встречаются выражения вроде того, что при распаде атомного ядра «часть его массы переходит в энергию осколков». Это неточные, жаргонные выражения. Энергия может изменять свою форму, в частности, запасенная внутриядерная энергия — превратиться в кинетическую энергию осколков; часть вещества при этом может перейти в электромагнитное поле (атомный взрыв сопровождается световой вспышкой), но масса всегда остается строго постоянной.
Соотношение между массой и энергией — очень трудный вопрос, к пониманию которого физики пришли далеко не сразу. В начале нашего века они с удивлением обнаружили, что масса тел не остается постоянной, а зависит от их скорости. А поскольку тогда считалось совершенно очевидным, что масса и материя — одно и то же, многим показалось, что материя может исчезать и возникать вновь. Получалось, что первичной в мире является не сама субстанция, а нечто нематериальное, связанное с ее движением. На глазах физиков распадались основы их науки, отказывались служить самые исходные ее представления. Зашаталась, можно сказать, вся картина мироздания — ведь ее фундаментом была физика! Это было время, когда даже наиболее талантливые физики усомнились в возможности примирить возникшие противоречия.