Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
Выход нашла материалистическая философия. Вначале некоторые ученые и вместе с ними философы идеалистического толка были склонны отказаться от понятия материи, считая его устаревшим, вроде представления о флогистоне. Первоосновой мира они предложили считать энергию. Правда, при этом сразу же возникал трудный вопрос: как можно говорить об энергии движения, если нет того, что движется? Последовательное развитие таких взглядов в конечном счете приводило не к научному, а к религиозному миропониманию. Выход был в том, чтобы не отказываться от понятия материи, а основываться на более точном ее понимании. Масса — это не материя, а всего лишь одна из многих ее характеристик. Ее изменение вовсе не означает, что материя исчезает или рождается из ничего. Этот выход из кризиса, поразившего физику в начале XX в., был указан В. И. Лениным в его знаменитой книге «Материализм и эмпириокритицизм».
Массой и энергией обладают все известные нам виды материи. Правда, не совсем ясно, как быть с гравитационным полем... Однако прежде чем перейти к гравитации, мы должны познакомиться с теоремой, которая связала энергию и время.
...Даже благожелательно настроенные коллеги не могли утверждать, что приват-доцент Геттингенского университета Эмми Неттер — привлекательная женщина. Невысокая, плотная, с громким и неприятным голосом, как вспоминают знавшие ее люди, она к тому же была весьма небрежна в своих манерах и одежде. Она больше походила, говорят они, на энергичную и очень близорукую прачку, чем на преподавателя университета, и грации не стояли у ее колыбели. Однако если греческие боги и богини имели обыкновение нисходить с Олимпа к новорожденным, то у изголовья маленькой Эмми наверняка стояла покровительница наук Афина. По своим интеллектуальным данным Неттер была женщиной выдающейся. Именно ей современная наука обязана несколькими выдающимися открытиями и идеями, в том числе замечательной теоремой о том, что каждой симметрии физической системы соответствует свой особый закон сохранения.
Симметрий много: при отражении, при поворотах и вращениях, при сдвигах... И каждый раз, когда система обладает какой-либо симметрией, она подчиняется соответствующему закону сохранения. Эта теорема имеет сложное математическое доказательство, однако физический смысл ее понять нетрудно. Дело в том, что любая симметрия уменьшает свободу системы, накладывая на нее определенные ограничения. Выражением этих ограничений и является закон сохранения. Это дополнительная связь между параметрами системы, ограничение их изменений.
Если быть более точным, придется добавить, что теорема Неттер относится к так называемой непрерывной симметрии. Свойства физических процессов никак не изменятся, если сдвинуть начальную точку отсчета времени или непрерывно смещать и поворачивать пространственную систему координат. По отношению ко всем таким преобразованиям физические законы симметричны или, как говорят, инвариантны. Так вот, Неттер доказала, что если течение времени равномерное и ни один его момент не выделен по сравнению с другим, то в любой изолированной системе должен выполняться закон сохранения энергии. Из условия однородности, полного равноправия пространственных координат вытекает закон сохранения импульса, а изотропия пространства, то есть отсутствие в нем каких-либо выделенных направлений, приводит к закону сохранения углового момента. И наоборот, нарушение пространственно-временной симметрии должно приводить к удивительным явлениям: изолированное тело в состоянии само по себе, без всяких внешних причин, ускоряться или замедляться, способна возрасти или уменьшиться скорость вращения небесных тел, может нарушаться энергетический баланс реакций и так далее. Для жителей несимметричного мира все это выглядит так, как если бы само пространство-время стало действовать на погруженные в него объекты.
Вывод Неттер о том, что законы сохранения энергии, импульса и момента связаны с фундаментальными свойствами окружающего нас пространства и времени, то есть зависят от космологии нашего мира, это, без сомнения, одна из самых выдающихся физических идей века. Правда, сами физики далеко не сразу осознали ее значение. В течение нескольких десятилетий теорема Неттер. оставалась в тени, и знали о ней больше математики, чем физики.
Эмми Неттер не довелось стать свидетелем триумфа своей теории. Несмотря на выдающиеся научные достижения, ей долго не присуждали звания приват-доцента. В кайзеровской Германии, где интересы женщин сознательно ограничивались «тремя К» — Kirche (церковь), Kuche (кухня), Kinder (дети),— это выглядело бы вопиющим нарушением традиций. Выдающийся геттингенский математик Давид Гильберт, потеряв терпение, однажды сказал с горькой и грубоватой иронией:
— Не вижу, почему пол кандидата должен быть помехой для присуждения ему ученого звания. В конце концов университет —
Позднее, уже в 30-х годах, спасаясь от преследований нацистов, Неттер эмигрировала из Германии в далекую Америку и там вскоре умерла.
Открытая ею теорема позволяет совершенно по-новому взглянуть на границы применимости законов сохранения. Ведь трудно думать, что равномерность времени и однородность пространства являются всеобщими, не знающими никаких исключений свойствами. Наука давно отказалась от представлений о том, что в природе существует единое, ни от чего не зависящее время и абсолютное бесконечное пространство, в которое погружены все тела. Можно ожидать, как мы уже говорили, радикального изменения свойств пространства и времени в ультрамалом, где становятся возможными спонтанные флюктуации скорости течения и далее самого направления времени, а метрика пространства оказывается зависящей от времени. В развитии космоса также могут быть особые, выделенные моменты времени, тот же Большой взрыв, например, которым началось развитие нашей Вселенной. Все это заставляет предполагать, что при определенных условиях закон сохранения энергии может и не соблюдаться.
Вот какие далеко идущие выводы заставляет сделать теорема Неттер! Удивительно ли, что часть ученых восприняла ее с недоверием?
Однако как не заманчиво открыть процессы, которые не подчиняются закону сохранения энергии, нельзя все же забывать, что в круге изученных явлений этот закон никаких исключений не знает. В попытках найти нарушения этого или других великих законов сохранения было выполнено огромное количество весьма остроумных и изощренных экспериментов. Скрупулезно анализировались эксперименты по поиску анизотропии и пространственно-временной неоднородности в доступной нашим приборам части Вселенной. Никаких аномалий! Различие в скорости света, например, распространяющегося по разным направлениям («эфирный ветер», характеризующий степень анизотропии пространства), не превосходит стомиллионной доли процента. Скорость течения или, как еще говорят, ритм времени также остается совершенно неизменным в пределах точности современных приборов. Вечного двигателя не построишь — эта школьная истина остается незыблемой.
На основе закона сохранения энергий был сделан ряд выдающихся открытий. Так, к концу 20-х годов выяснилось, что энергия электронов, вылетающих при радиоактивном распаде ядер, изменяется от случая к случаю. Куда девается разница — оставалось загадкой. Не экспериментальное ли это доказательство того, предположил Нильс Бор, что энергия в микропроцессах сохраняется лишь в среднем, статистически? Против выдающегося физика, к мнению которого прислушивались все, решился выступить швейцарский теоретик Вольфганг Паули. Нет, говорил он, закон сохранения энергии настолько фундаментален, что нужно допустить иное: вместе с электроном рождается неуловимая пока на опыте частица. Она-то и «крадет» недостающую энергию. Свойства этой частицы должны быть совершенно необычными: во-первых, она практически ничего не весит, а во-вторых, почти не взаимодействует с окружающим веществом. Частица-невидимка, ускользающая из всех расставленных физиками ловушек (позднее итальянский физик Энрико Ферми придумал ей название — нейтрино, то есть «нейтрончик»)! Спустя 23 года предсказанные Паули нейтрино были обнаружены в экспериментах, а закон сохранения энергии снова, в который раз, остался неуязвимым.
С помощью этого закона были обнаружены сверхкороткоживущие частицы — резонансы, объяснены многие парадоксальные явления квантовой физики. Поэтому сохранение энергии рассматривается в настоящее время как одно из основных требований, которым должны удовлетворять физические теории. И лишь та теория, которая позволит объяснить значительно более широкий круг вопросов, чем ныне известные теории, может устоять против бритвы Оккама и пренебречь этим критерием. Многие физики считают, что таким свойством обладает теория гравитации Эйнштейна.
Но не будем забегать вперед... Зададимся сначала вопросом: может ли быть движение без энергии? Сначала ответ кажется очевидным: раз есть движение, должна быть и энергия, как же может быть иначе? Давайте, однако, рассмотрим внимательнее, что такое энергия.
Этот термин впервые ввел в обиход в начале прошлого века английский физик Томас Юнг, хотя под названием «живая сила» понятие энергии уже давно использовалось учеными. В физике известно много различных видов энергии, но наиболее общий подход к понятию энергии был найден не физиком, а философом, и это был не кто иной, как Фридрих Энгельс. На протяжении всей книги нам приходится в той или иной мере касаться философских вопросов, и это естественно, ведь физика изучает основы мироздания, чего без философского анализа делать немыслимо.