Есть разные виды энергии – кинетическая, то есть энергия движения; потенциальная, связанная с положением объекта, как, например, энергия, возникающая благодаря притяжению тела Землей; лучевая, то есть энергия, переносимая излучением, – например, тепло, идущее от Солнца, является движущей силой фотосинтеза и всего каскада его следствий, составляющих то, что мы называем биосферой [7]. Каждый вид энергии может быть преобразован в любой другой вид. Тем не менее в природе, оказывается, существует строгий закон: общее количество энергии во Вселенной постоянно. Если энергия одного вида расходуется, она должна превратиться в энергию другого вида или появиться в том же виде, но в другом месте. Знакомый всем пример такого постоянства – мяч, подброшенный вверх. Сначала в нем много кинетической энергии. По мере того, как он взлетает все выше и выше, преодолевая силу притяжения, его потенциальная энергия растет, а кинетическая падает. В высшей точке своей траектории мяч на миг оказывается в покое – в этот момент его кинетическая энергия нулевая, а вся его первоначальная энергия перешла в потенциальную. Как только он начинает падать обратно на землю, ускоряя при этом свое движение, его потенциальная энергия снова уменьшается, а кинетическая растет. На каждой стадии полета мяча, от начала до конца, его полная энергия, сумма кинетической и потенциальной, постоянна. Закон сохранения энергии подводит итог этого постоянства: он утверждает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.
В главе 1 я упоминал, что закон сохранения энергии настолько всеобъемлющ, что даже его кажущееся нарушение приводит к предсказанию и открытию новых фундаментальных частиц материи. Нильс Бор (1885–1962), датский физик-теоретик, создатель ранней версии квантовой механики, рассматривая непонятные результаты наблюдений только что открытых ядерных процессов, предположил, что здесь закон сохранения энергии все же нарушается. Но оказалось, что этого не происходило – энергию уносила ранее неизвестная частица, нейтрино, то есть «нейтрончик». Существование нейтрино предсказал в 1930 году Вольфганг Паули. В 1956 году, после долгих и трудных поисков частица в конце концов была экспериментально обнаружена [8]. Этот эпизод показывает, что закон сохранения энергии в каком-то смысле напоминает известное «правило Дэвида Юма» о чудесах, – согласно этому правилу, разумнее не поверить тому, кто рассказывает о чуде, чем поверить в то, что он рассказывает. Поэтому ученые воспринимают любое сообщение о нарушении сохранения энергии с крайним скепсисом. Как и в приведенном примере, в каждом таком случае закон ставился под сомнение, ситуация тщательно проверялась, и сохранение энергии неизменно подтверждалось. Нельзя, однако же, не признать, что в неисследованных частях космоса могут еще таиться драконы и что в каких-то пока неизвестных нам событиях сохранение энергии нарушается.
В свое время, а именно в главе 8, мне придется вернуться к этому вопросу в связи с великой идеей, просветляющей человеческую мысль, хоть и повсеместно неверно интерпретируемой, – принципом неопределенности Гейзенберга. Некоторые считают, что этот принцип открывает в законе сохранения энергии лазейку, позволяющую энергии флуктуировать на очень короткой шкале времени. На более широком временном масштабе и в общепринятых ситуациях сохранение энергии является основой невозможности вечного двигателя, то есть производства работы без потребления топлива. Действительно, одно из проявлений этого закона – крах множества отчаянных попыток построить механизм, находящийся в состоянии вечного движения. На протяжении веков всяческие шарлатаны снова и снова объявляли о том, что им наконец это удалось – но нет, вечный двигатель так и не создали, и сейчас уже ясно, что эта задача решена быть не может. Данный экспериментальный факт, лишающий нас всякой надежды на получение бесконечного количества даровой энергии, а вследствие этого и на какие-либо перспективы бесконечного благоденствия, стал одним из оснований целой большой группы законов природы – законов термодинамики, к которым я вернусь в главе 5. Шарлатаны, правда, не унимаются – подстегиваемые мечтой о фантастическом богатстве, они продолжают время от времени предлагать все новые и новые хитроумные конструкции машин, производящих работу из ничего; но каждый раз все кончается для них позорным крахом и насмешками, а доверие к закону становится еще сильнее. До некоторой степени мы должны быть благодарны этим беднягам (как, конечно, и их оппонентам – честным труженикам, взявшим на себя нелегкую задачу опровергать их заявления) за то, что неудачи их упорных, агрессивных, одержимых нападок на закон сохранения энергии привели только к укреплению убежденности в его справедливости.
7
Кинетическая энергия тела с массой
8
Экспериментальная регистрация нейтрино была выполнена Ф. Б. Харрисоном, Х. У. Крузом и А. Д. Мак-Гуайром, которые были удостоены Нобелевской премии по физике, но только в 1995 году, спустя сорок лет. Представьте, каково это – сорок лет каждый октябрь сидеть как на иголках!