Характер физических законов

Первое слагаемое – это составляющая скорости, перпендикулярная самой скорости. Оно равно нулю – скорость направлена вдоль самой себя. Ускорение r'' – это вторая производная r, т. е. производная скорости. Она равна силе, деленной на массу.

Это означает, что скорость изменения скорости изменения площади есть составляющая силы, направленная под прямым углом к радиусу. Но если сила направлена по радиусу,

r × F / m = 0,

как утверждал Ньютон, то под прямым углом к радиусу она не действует, а значит, скорость изменения площади не изменяется:

А'' = 0.

Мы видим, как много нам дает анализ при помощи символов. Ньютон более или менее умел это делать, только в несколько других обозначениях. Но он предпочел геометрические доказательства, стремясь к тому, чтобы люди могли прочесть его статьи. Он сам изобрел исчисление бесконечно малых, которым я воспользовался во втором доказательстве.

Это хорошая иллюстрация взаимоотношений между математикой и физикой. Когда в физике проблема оказывается трудной, мы можем заглянуть к математикам – вдруг они уже встречались с такими вопросами и имеют готовые способы доказательства? Но может оказаться, что они этим еще не занимались. Тогда нам придется самим изобрести доказательства и потом передать их математикам. Каждый, кто рассуждает о чем-нибудь точно, показывает тем самым, как человек мыслит, и если представить его рассуждения в общем виде и передать математикам, то они внесут его в свои книги в качестве раздела математики. Математика – это путь, по которому мы переходим от одной совокупности утверждений к другой. И она, очевидно, полезна в физике, потому что говорить о вещах мы можем по-разному, а математика позволяет нам выяснить следствия, анализировать ситуации и видоизменять законы, чтобы связать различные утверждения. В общем, физик знает очень мало. Он только должен помнить правила, которые позволяют переходить от одного к другому, ибо все эти различные утверждения о равенстве интервалов времени, о силе, направленной по радиусу, и т. д. тесно связаны логикой.

Тут возникает интересный вопрос. Существует ли какая-нибудь отправная точка для всех наших выводов? Существует ли в природе такой порядок, который позволял бы нам говорить, что одна совокупность утверждений – более фундаментальная, а другая представляет собой ее следствие? Возможны два взгляда на математику. Для удобства один из них я назову вавилонской традицией, а другой – греческой традицией. В вавилонских школах математики ученик решал огромное множество примеров, пока не улавливал общего правила. Он подробно знал геометрию, множество свойств круга, теорему Пифагора, формулы для площадей квадратов и треугольников; кроме того, существовали некоторые способы выводить одно из другого. Имелись числовые таблицы, при помощи которых можно было решать сложные уравнения. Все было подготовлено для того, чтобы производить вычисления. Но Евклид обнаружил, что все теоремы геометрии можно вывести из нескольких простых аксиом. Вавилонский подход – я назвал бы его вавилонской математикой – заключается в том, что вы знаете самые разные теоремы, многие связи между ними, но не осознаете до конца, что все они могут быть выведены из набора аксиом. Самая же современная математика делает упор на аксиому и доказательства исходя из очень четких соглашений о том, что можно и что нельзя считать аксиомами. Современная геометрия берет аксиомы, подобные евклидовым, но несколько усовершенствованные, и выводит из них все остальное. Например, такие теоремы, как теорема Пифагора (сумма квадратов катетов прямоугольного треугольника равна квадрату гипотенузы), не будут аксиомами. Но возможно и другое построение геометрии – так, например, в геометрии Декарта теорема Пифагора является аксиомой.

Итак, прежде всего мы должны согласиться с тем, что даже в математике можно отправляться от разных исходных положений. Поскольку все теоремы связаны друг с другом логикой, нельзя сказать, что такие-то утверждения мы считаем основными аксиомами, ибо если вместо них вам предложат другие аксиомы, то и по ним вы сможете построить всю геометрию. Это подобно мосту, составленному из одинаковых секций. Если он развалится, вы можете восстановить его, соединив секции в другом порядке. Сегодняшняя математическая традиция состоит в том, что берут определенные идеи, которые условились считать аксиомами, и исходя из них строят все здание. Если же следовать вавилонской традиции, то мы скажем: «Я знаю то, я знаю это и как будто бы знаю вот это; отсюда я вывожу все остальное. Может быть, завтра я что-то забуду, но что-то я буду помнить и по этим остаткам смогу восстановить все заново. Я не очень хорошо знаю, с чего я должен начать и чем кончить. Но в голове у меня всегда достаточно сведений, так что если я забуду часть из них, то все равно смогу это восстановить».

Доказывая теоремы, невыгодно каждый раз начинать с аксиом. Вы не сильно преуспеете в геометрии, если станете доказывать всякое положение, каждый раз отправляясь от аксиом. Конечно, если вы располагаете определенными сведениями в геометрии, то всегда сможете вывести из них кое-что еще; но гораздо выгоднее поступать иначе. Дорога, которая начинается с выбора наилучших аксиом, не всегда кратчайшая дорога к цели. В физике нам нужен вавилонский метод, а не греческий. Постараюсь объяснить почему.

При евклидовом подходе наша задача – подобрать как можно более интересные и важные аксиомы. Но относительно тяготения, например, мы могли бы спросить себя: какая аксиома лучше – о том, что сила направлена к центру, или о том, что за равные промежутки времени описываются равные площади? Если я буду исходить из того, каковы силы, то смогу рассматривать систему, состоящую из многих тел, орбиты которых уже не являются эллипсами, потому что силовая формулировка говорит мне о взаимном притяжении этих тел. В этом случае теорема о равенстве площадей несправедлива. Поэтому мне кажется, что аксиомой должен быть именно закон сил. С другой стороны, принцип равенства площадей можно сформулировать в виде более общей теоремы для многих тел. Она довольно сложна и совсем не так красива, как первоначальное утверждение о равенстве площадей, но, несомненно, является его порождением. Рассмотрим систему многих тел, взаимодействующих друг с другом, например Юпитер, Сатурн, Солнце, множество звезд, и, глядя на них издали, спроектируем свою систему на плоскость (рис. 16). Тела движутся в разных направлениях. Возьмем в качестве центра произвольную точку и подсчитаем, какую площадь описывают радиусы, проведенные из центра к каждому телу. При этом будем учитывать массу – если у одного тела масса вдвое больше, чем у другого, то соответствующую площадь будем умножать на два. Так мы подсчитаем все площади, описываемые радиусами, а затем сложим их пропорционально соответствующим массам. Такая сумма площадей не будет изменяться со временем. Она называется моментом количества движения системы, а закон – законом сохранения момента количества движения. «Сохранение» означает всего-навсего, что величина не изменяется.

Вот одно из следствий этого закона. Вообразим множество звезд, которые сближаются друг с другом, чтобы образовать туманность или галактику. Сначала они разбросаны очень далеко от центра. Звезды медленно движутся вокруг него, и радиусы описывают определенные площади. По мере их сближения расстояния до центра сокращаются, радиусы уменьшаются, и, чтобы описать прежнюю площадь, звезды вынуждены двигаться гораздо быстрее. Таким образом, сближаясь, звезды вращаются все быстрее и быстрее. Этим (приблизительно) и объясняется форма спиральных туманностей. То же самое происходит, когда фигурист крутится на льду. Он начинает, отставив ногу, и вращается медленно, а опуская ногу, крутится быстрее. Когда нога вытянута, она описывает за секунду определенную площадь. Опустив ее, фигурист должен вращаться гораздо быстрее, чтобы описать ту же самую площадь. Правда, я доказывал это не для людей – они пользуются мускульной силой, а не силой тяготения. Но закон справедлив и для спортсменов.

Тут мы приходим к интересной проблеме. Зачастую из частного закона физики, такого, как закон тяготения, можно вывести принцип гораздо более общий, чем само содержание частного закона. В математике этого не бывает; теоремы не появляются там, где их не ожидают. Поясним примером. Если в качестве постулата физики мы взяли бы закон равенства площадей для сил тяготения, то мы могли бы вывести закон сохранения момента импульса, но только для сил тяготения. А на опыте мы обнаруживаем, что закон сохранения момента распространяется на более широкий круг явлений. Ньютон принял другие постулаты, и ему удалось получить при их помощи более общий закон сохранения момента импульса. Пусть постулаты Ньютона неверны. Нет никаких сил – все это чепуха, частицы не имеют орбит и т. д. Тем не менее видоизмененный принцип равенства площадей и закон сохранения момента справедливы. Они распространяются на движение атомов в квантовой механике и, насколько нам известно сегодня, вполне точны. Мы знаем эти общие принципы, которыми пронизаны самые разные законы. Но если мы будем слишком серьезно относиться к математическим доказательствам и считать, что одно справедливо только потому, что справедливо другое, то не сможем понять связи между различными отраслями физики. В тот день, когда физика станет полной и мы будем знать все ее законы, мы, вероятно, сможем начинать с аксиом, и, несомненно, кто-нибудь придумает, как их выбирать, чтобы из них получить все остальное. Но пока мы не знаем всех законов, по некоторым из них можно угадывать теоремы, которые еще не имеют доказательств. Чтобы понимать физику, необходимо строгое равновесие в мыслях. Мы должны держать в голове все разнообразные утверждения и помнить об их связях, потому что законы часто простираются дальше своих доказательств. Надобность в этом отпадет только тогда, когда будут известны все законы.

Во взаимоотношениях физики и математики имеется еще одна интересная черта: математика позволяет доказать, что в физике исходя из разных точек зрения можно прийти к одним и тем же выводам. Это и понятно: если у вас есть аксиомы, то вместо них вы можете воспользоваться некоторыми теоремами; физические же законы построены так деликатно, что их различные, хотя и эквивалентные формулировки качественно отличаются. Этим они и любопытны. Для примера я сформулирую закон тяготения тремя разными способами. Все они совершенно эквивалентны, но звучат очень несхоже.

Первая формулировка – это когда силы между телами описываются уравнением, которое я приводил выше:

Каждое тело, «узнав», что на него действует сила, ускоряется, т. е. изменяет свое движение на определенную величину за секунду. Это обычная формулировка закона, я назову ее ньютоновой. Эта формулировка говорит, что сила зависит от чего-то находящегося на конечном расстоянии. Она обладает так называемым свойством нелокальности. Сила, действующая на предмет, зависит от того, насколько удален от него другой предмет.

Вам, возможно, не понравится мысль о действии на расстоянии. Откуда может узнать предмет, что происходит вдалеке? Ну что ж, имеется другой способ сформулировать закон – очень странный. Он основан на понятии поля. Объяснить его трудно, но я попытаюсь дать вам хотя бы приблизительное представление. Звучит он совсем по-другому. В каждой точке пространства имеется число (именно число, а не механизм: в том-то и вся беда с физикой, что она должна быть математической), и, когда вы переходите с места на место, это число меняется. Если в какой-то точке пространства поместить предмет, то на него будет действовать сила в том направлении, в котором быстрее всего изменяется это число (я дам ему обычное название – потенциал; сила действует в направлении быстрейшего изменения потенциала). Далее, сила пропорциональна тому, насколько быстро изменяется потенциал при перемещении из одной точки в другую. Это только одна часть формулировки, и ее недостаточно, потому что я еще не сказал вам, как именно изменяется потенциал. Я мог бы сказать, что потенциал изменяется обратно пропорционально расстоянию от каждого тела, но тогда мы снова вернулись бы к понятию о действии на расстоянии. Можно сформулировать закон по-другому, сказав: нам не надо знать, что происходит за пределами маленького шарика. Если вы хотите знать, чему равен потенциал в центре, скажите мне просто, каков он на поверхности сколь угодно малого шарика. Вам не надо смотреть вокруг шарика, скажите лишь, каков потенциал по соседству с интересующей вас точкой и какова масса шарика. Правило таково. Потенциал в центре равен среднему потенциалу на поверхности шарика минус постоянная G, которая была в предыдущем уравнении, поделенная на удвоенный радиус шарика (обозначим его через а) и умноженная на массу шарика, если шарик достаточно мал:

Как видите, этот закон отличается от предыдущего, ибо он говорит нам, что происходит в некоторой точке, если известно, что происходит рядом с ней. Ньютонова же формулировка позволяет сказать, что происходит в данный момент времени, если мы знаем, что происходит в предыдущий момент. Во времени она переводит нас плавно от момента к моменту, но в пространстве заставляет скакать из одного места в другое. Вторая формулировка локальна и во времени, и в пространстве, потому что она говорит о соседних точках. Но в математическом смысле обе формулировки эквивалентны.

Существует еще и третья формулировка, основанная на качественно иных понятиях. Если вам не нравится действие на расстоянии, то я показал вам, как можно без него обойтись. Теперь я дам вам формулировку, которая в философском смысле прямо противоположна предыдущей. Тут нам не нужно переходить от момента к моменту, от точки к точке; мы опишем все сразу, целиком. Пусть у нас имеется несколько частиц и вы желаете знать, как одна из них перемещается из одного места в другое. Вообразим все возможные пути перехода из одного места в другое за данный отрезок времени (рис. 17). Скажем, частица должна перейти из точки X в точку Y за час и вы желаете знать, по какому пути она может двигаться. Вы воображаете всевозможные кривые и для каждой кривой подсчитываете определенную величину. (Я не хочу рассказывать, какая это величина, но для тех, кто о ней наслышан, напомню, что для каждого пути она равна среднему значению разности между кинетической и потенциальной энергией.) Если вы подсчитаете эту величину для одного пути, а затем для другого, то для разных путей получите разные числа. Но один из путей дает наименьшее возможное число – именно этим путем и воспользуется на самом деле частица! Теперь мы описываем действительное движение, эллипс, высказывая нечто о кривой в целом. Нам не нужно думать о причинности, о том, что частица чувствует притяжение и движется в согласии с ним. Вместо этого мы говорим, что она разом «обнюхивает» все кривые, все возможные пути и решает, какой выбрать. (Выбирает тот, для которого наша величина – минимальная.)

Рис. 17

Вот вам пример, сколько прекрасных способов существует для описания Природы. Если нам говорят, что в Природе должна господствовать причинность, вы можете взять ньютонову формулировку; если настаивают, что Природа должна обладать свойствами локальности, – к вашим услугам вторая формулировка; если же вас убедили, что Природу нужно описывать при помощи принципа минимума, – берите третью. Какая же из них правильна? Если они математически неравнозначны, если из них вытекают разные следствия, то нам остается лишь выяснить на эксперименте, как именно поступает Природа. К нам могут подойти люди и завести философский спор, что одна им нравится больше, чем другая; но опыт научил нас, что в предсказании поступков Природы философские предчувствия не оправдываются. Мы просто должны представить себе все возможности и затем все их перепробовать. Но в том случае, о котором мы сейчас говорили, все теории совершенно эквивалентны. С точки зрения математической все эти три формулировки – ньютонова, локальная полевая и принцип минимума – приводят к совершенно одинаковым последствиям. Что же тогда делать? Вы прочтете в любой книге, что мы не имеем права отдать научное предпочтение одной из них. И это правда. В научном смысле они эквивалентны. Нет такого опыта, который позволил бы нам сделать этот выбор, потому что все следствия одинаковы. Но психологически они различны. Во-первых, они могут нравиться или не нравиться в философском плане; эту болезнь можно вылечить только тренировкой. Во-вторых, психологическое различие между ними становится особенно важным, когда вы отправляетесь на поиски новых законов.

Пока физика неполна и мы пытаемся открыть новые законы, различные возможные формулировки могут послужить путеводными нитями к пониманию того, что произойдет при других обстоятельствах. В этом случае они психологически неравноценны, ибо толкают нас на разные догадки относительно того, как может выглядеть закон в более общей ситуации. Например, Эйнштейн понял, что электрические сигналы не могут распространяться быстрее света. Он догадался, что это общий принцип. (Подобной игрой в догадки занимались и мы, когда брали закон сохранения момента количества движения и переносили его с одного частного случая, для которого он доказан, на все явления природы.) Эйнштейн догадался, что это общее свойство природы, и в том числе гравитации. Если сигналы не могут распространяться быстрее света, то формулировка, подразумевающая мгновенные взаимодействия, очень плоха. Поэтому в обобщенной теории гравитации, созданной Эйнштейном, метод Ньютона безнадежно слаб и чудовищно сложен, тогда как метод полей и принцип минимума точны и просты. Какой из двух предпочесть – мы до сих пор не решили.

На самом деле оказывается, что в квантовой механике ни один из них не точен в том виде, в каком я их сформулировал, а сам факт существования принципа минимума является следствием того, что в микромире частицы подчиняются квантовой механике. Сейчас наилучшим законом нам представляется комбинация принципа минимума и локальных законов. Сегодня мы думаем, что законы физики должны иметь локальный характер и в то же время сочетаться с принципом минимума, но наверняка мы этого не знаем. Если в системе знаний таится какая-то погрешность, но построена система на удачных аксиомах, то впоследствии вы обнаружите, что неверна лишь одна из них, а остальные справедливы; в этом случае потребуются лишь незначительные переделки. Но если вы строили систему на других аксиомах, то она может вся развалиться из-за того, что целиком опирается на одну-единственную слабую деталь. Мы не можем сказать заранее, не прибегая к интуиции, как лучше всего строить систему, чтобы прийти к новому закону. Мы постоянно должны иметь в виду все возможные способы описания; поэтому физики занимаются вавилонской математикой и уделяют мало внимания аксиоматическому построению своей науки.

Одна из поразительных особенностей природы – многообразие возможных схем ее истолкования. Это обусловлено самим характером наших законов, тонких и четких. Например, свойство локальности существует только потому, что сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если бы там стоял куб, мы не имели бы локального метода. С другой стороны, тот факт, что сила связана с быстротой изменения скорости, позволяет записывать законы, пользуясь принципом минимума. Если бы сила, например, была пропорциональна самой скорости перемещения, а не ускорению, то это было бы невозможно. Стоит сильно изменить законы, и вы обнаружите, что число возможных формулировок сократилось. Мне это всегда представлялось загадкой. Я не понимаю, почему правильные законы физики допускают такое огромное количество разных формулировок. Они похожи на крокетный шар, который проходит сразу через несколько ворот.

Наконец, я хотел бы сделать несколько более общих замечаний о связи математики с физикой. Математики имеют дело только со структурой рассуждений, и им, в сущности, безразлично, о чем они говорят. Им даже не нужно знать, о чем они говорят, или, как они сами выражаются, истинны ли их утверждения. Объясню почему. Вы формулируете аксиомы: «То-то и то-то обстоит так, а то-то и то-то обстоит так». Что дальше? Дальше можно заниматься логикой, не зная, что означают слова «то-то и то-то». Если аксиомы полны и сформулированы точно, то человеку, строящему доказательство, необязательно понимать значение слов, для того чтобы получить новый вывод на языке, которым он пользуется. Если в одной из аксиом стоит слово «треугольник», то в выводах математика будут какие-то утверждения относительно треугольников, однако при получении этих выводов он не обязан знать, что за вещь – треугольник. Я же могу вернуться к началу его рассуждений и сказать: «Треугольник – это фигура с тремя сторонами, которая представляет собой то-то и то-то». И тогда я пойму его новые выводы. Другими словами, математик готовит абстрактные доказательства, которыми вы можете воспользоваться, приписав реальному миру некоторый набор аксиом. Физик же не должен забывать о значении своих фраз. Это очень важная обязанность, которой склонны пренебрегать люди, пришедшие в физику из математики. Физика – не математика, а математика – не физика. Одна помогает другой. Но в физике вы должны понимать связь слов с реальным миром. Получив какие-то выводы, вы должны их перевести на родной язык и на язык природы – в медные кубики и стеклянные шарики, с которыми вы будете экспериментировать. Только так вы сможете проверить истинность своих выводов. В математике этой проблемы не существует вовсе.

Вполне понятно, что доказательства и способы мышления, найденные математиками, становятся для физиков могучими и полезными орудиями. Но и рассуждения физиков часто приносят пользу математикам.

Математики любят придавать своим рассуждениям возможно более общую форму. Если я скажу им: «Я хочу поговорить об обычном трехмерном пространстве», – они ответят: «Вот вам все теоремы о пространстве п измерений». – «Но у меня только три измерения». – «Хорошо, подставьте n = 3!» Оказывается, что многие сложные теоремы выглядят гораздо проще, если их применить к частному случаю. А физика интересуют только частные случаи; он никогда не интересуется общим случаем. Он говорит о чем-то конкретном; ему не безразлично, о чем говорить. Он хочет обсуждать закон тяготения в трехмерном пространстве; ему не нужны произвольные силы в пространстве п измерений. Он стремится к сокращениям, потому что математики готовят свои выводы для более широкого круга проблем. И поступают предусмотрительно, ибо в конце концов бедный физик всегда вынужден возвращаться и говорить: «Простите, но в прошлый раз вы хотели мне что-то сказать о четырех измерениях».

Когда вы знаете, о чем идет речь, знаете, что одни символы означают силы, другие – массы, инерцию и т. д., вы можете обратиться за помощью к здравому смыслу, к интуиции. Вы видели разные вещи и более или менее знаете, как будут происходить разные явления. Несчастный математик переводит все это на язык уравнений, и, поскольку символы для него ничего не означают, у него лишь один компас – математическая строгость и тщательность в доказательствах. Физик же, который более или менее знает, каким должен быть ответ, может позволить себе догадки и приходит к цели довольно быстро. Излишняя математическая строгость не очень полезна в физике. Но нельзя ставить это в вину математикам. Нельзя требовать, чтобы они действовали всегда с оглядкой на физику и делали то, что полезно ей. У них свои задачи. Если вы хотите чего-то иного, займитесь этим сами.

Следующий вопрос: когда мы пытаемся найти новые законы, стоит ли опираться на интуицию и философские принципы – «мне не нравятся локальные свойства» или «мне нравятся локальные свойства», «мне не нравится воздействие на расстоянии» или «мне нравится воздействие на расстоянии»? В какой степени полезны модели? Интересно, что модели очень часто помогают в работе, и большинство преподавателей физики пытаются учить тому, как пользоваться моделями, чтобы выработать хорошую физическую интуицию. Но всегда выходит так, что величайшие открытия абстрагируются от модели и модель оказывается ненужной. Максвелл создал электродинамику, наполнив пространство массой воображаемых шестеренок и зубчатых колесиков. Но колесики и шестеренки мы отбросили, а теория осталась. Дирак[10] же открыл правильные законы релятивистской квантовой механики, просто угадав уравнение. Угадывание уравнения, по-видимому, очень хороший способ открывать новые законы. Это лишний раз доказывает, что математика дает глубокое описание природы, а всякая попытка выразить природу, опираясь на философские принципы или интуитивные механические аналогии, не приводит к серьезным результатам.

Меня всегда беспокоило, что, согласно физическим законам, как мы понимаем их сегодня, требуется бесконечное число логических операций в вычислительной машине, чтобы определить, какие процессы происходят в сколь угодно малой области пространства за сколь угодно малый промежуток времени. Как может все это уложиться в крохотном пространстве? Почему необходима бесконечная работа логики для понимания того, что произойдет на крохотном участке пространства-времени? Поэтому я часто высказывал предположение, что в конце концов физика не будет требовать математической формулировки. Ее механизм раскроется перед нами, и законы станут простыми, как шахматная доска, при всей ее видимой сложности. Но это предположение того же порядка, что и склонности других людей – «это мне нравится», «это мне не нравится», – а тут нельзя основываться на личных предубеждениях.

Подводя итоги, я хочу воспользоваться словами Джинса, который сказал, что «Великий Архитектор, по-видимому, был математиком». Тем, кто не знает математики, трудно постичь подлинную, глубокую красоту природы. Сноу[11] говорил о двух культурах. Я думаю, что разница между этими культурами сводится к разнице между людьми, которые понимают, и людьми, которые не понимают математики в той мере, в какой это необходимо, чтобы вполне оценить природу.

Жаль, конечно, что тут нужна математика, потому что многим людям она дается трудно. Говорят – не знаю, правда ли это, – что один царь, которого Евклид пытался обучить геометрии, стал жаловаться на трудности. Евклид ответил: «Нет царского пути к геометрии». И его действительно нет. Физику нельзя перевести ни на какой другой язык. И если вы хотите узнать Природу, оценить ее красоту, то нужно понимать язык, на котором она разговаривает. Она дает информацию лишь в одной форме, и мы не вправе требовать от нее, чтобы она изменила свой язык, стараясь привлечь наше внимание.

Никакими интеллектуальными доводами вы не сможете передать глухому ощущение музыки. Точно так же никакими интеллектуальными доводами нельзя передать понимание природы человеку «другой культуры». Философы пытаются рассказать о природе без математики. Я пытаюсь описать природу математически. Но если меня не понимают, то не потому, что это невозможно. Может быть, моя неудача объясняется тем, что кругозор этих людей чересчур ограничен и они считают человека центром Вселенной.

Лекция 3. Великие законы сохранения

Изучая физику, вы обнаруживаете, что существует огромное количество сложных и очень точных законов – законы гравитации, электричества и магнетизма, законы ядерных взаимодействий и т. д. Но все это многообразие отдельных законов пронизано некими общими принципами, которые так или иначе содержатся в каждом законе. Примерами таких принципов могут служить законы сохранения, некоторые свойства симметрии, общая форма квантовомеханических принципов и тот приятный для одних и досадный для других факт, что все законы являются математическими. В этой лекции я хочу поговорить о законах сохранения.

Физик употребляет обычные слова необычным образом. Для него закон сохранения означает, что существует число, которое остается постоянным вне зависимости от того, когда вы его подсчитаете – скажем, сейчас или через некоторое время, после того как в природе произойдет множество изменений. Вот, например, закон сохранения энергии. Имеется величина, которую вы можете вычислять по определенным правилам, и ответ у вас всегда будет одинаковым, что бы ни случилось.

Понятно, что такие принципы могут оказаться полезными. Предположим, что физика, или, вернее, природа, – это огромная шахматная доска с миллионами фигур и мы пытаемся выяснить законы движения фигур. Великие боги, сидящие за доской, играют очень быстро, и нам трудно уследить за их ходами. Все же мы улавливаем некоторые правила – те правила, для выяснения которых не обязательно следить за каждым ходом. Например, предположим, что на доске стоит только один слон, белопольный. Он движется только по диагонали и поэтому всегда остается на белых квадратах. Если мы отвернемся, а затем посмотрим снова на доску, за которой играют боги, то белопольный слон будет по-прежнему стоять на доске, может быть в другом месте, но все равно на белом квадрате. Такова природа законов сохранения. Мы можем узнать кое-что об игре, не вдаваясь в доскональное ее изучение.

Правда, в шахматах этот закон может оказаться не таким уж полезным. Если мы отвернулись надолго, то может случиться, что за это время слона успели съесть, пешка прошла в ферзи и Бог решил, что выгоднее иметь слона вместо ферзя, а слон этот оказывается чернопольным. К сожалению, может выясниться, что некоторые из наших сегодняшних законов физики также несовершенны, но я опишу их вам такими, какими мы видим их в настоящее время.

Я сказал, что мы употребляем обычные слова в качестве научных терминов, а в заглавии этой лекции стоит слово «великий» – «Великие законы сохранения». Это не термин: я вставил его лишь затем, чтобы придать заглавию более патетическое звучание, и вполне мог бы назвать лекцию просто «Законы сохранения». Есть несколько законов сохранения, которые верны лишь приблизительно, но иногда оказываются полезными, их мы могли бы назвать «малыми» законами сохранения. Позже я расскажу об одном или двух из них. Но основные законы, которым посвящена эта лекция, насколько нам известно сегодня, совершенно точны.

Проще всего понять закон сохранения электрического заряда; с него я и начну. Существует число, полный электрический заряд мира, которое остается постоянным, что бы ни произошло. Если вы теряете заряд в одном месте, то находите его в другом. Сохранение относится только к полному электрическому заряду. Это опытным путем установил Фарадей[12]. Он экспериментировал с огромным металлическим шаром, к наружной поверхности которого был присоединен очень чувствительный гальванометр, чтобы следить за зарядом на поверхности; гальванометр был такой, что даже небольшой заряд давал сильные отклонения. Внутри шара Фарадей собрал разнообразное электрическое оборудование. Он создавал заряды, натирая стеклянные палочки кошачьим мехом, и строил большие электростатические машины, так что внутренность шара походила на лабораторию из фильма ужасов. Но в ходе всех его экспериментов на поверхности не появлялось никакого заряда; создать заряд было невозможно. Хотя стеклянная палочка заряжалась положительно, когда ее терли кошачьим мехом, мех получал точно такое же количество отрицательного заряда, и суммарный заряд всегда был равен нулю. Если бы внутри шара заряд создавался, то гальванометр, присоединенный снаружи, показал бы это. Итак, полный заряд сохраняется.

Это нетрудно объяснить на очень простой модели, совсем не математической. Предположим, что мир состоит из частиц двух видов, электронов и протонов, – было время, когда он действительно представлялся людям настолько простым, – и предположим, что электроны несут отрицательный заряд, а протоны – положительный, так что мы можем их разделить. Мы можем взять кусок материала и отнять у него часть электронов или, наоборот, добавить. Но если считать, что сами электроны неизменны, не исчезают и не распадаются (это очень простое предположение, не имеющее отношения к математике), то разность между общим числом протонов и общим числом электронов меняться не будет. Больше того, в нашей простой модели не будет меняться ни одно из этих двух чисел. Но вернемся к зарядам. Вклад протонов положителен, а электронов – отрицателен, и если эти частицы не создаются и не уничтожаются поодиночке, то полный заряд будет сохраняться. В табл. 1 я перечислил некоторые сохраняющиеся величины; первая из них – заряд. Против вопроса, сохраняется ли заряд, я пишу «да».

Такая теоретическая модель очень проста, но со временем было обнаружено, что электроны и протоны нельзя считать постоянными и неизменными. Например, частица, называемая нейтроном, может распадаться на протон и электрон плюс что-то еще, о чем мы поговорим позже. Правда, оказывается, что нейтрон электрически нейтрален. Поэтому, хотя протоны и электроны не неизменны в том смысле, что их можно создать из нейтрона, заряд все равно сохраняется. При распаде нейтрона мы начинаем с нулевого заряда и получаем один заряд положительный и один отрицательный, что в сумме дает нуль.

Таблица 1

Подобным же примером может служить другая частица, заряженная положительно, но отличная от протона. Она называется позитроном и представляет собой как бы зеркальное изображение электрона. Она во всех отношениях подобна электрону, за исключением того, что несет заряд противоположного знака и, что еще важнее, является античастицей, ибо, встретившись, электрон и позитрон взаимно уничтожаются и превращаются в свет. Так что сами по себе электроны не вечны. Электрон плюс позитрон дают свет. Этот свет, невидимый глазу, гамма-излучение; но видимый свет и гамма-излучение для физика – одно и то же, у них лишь разная длина волн. Таким образом, частица и соответствующая ей античастица могут взаимно уничтожаться, аннигилировать. Свет не имеет электрического заряда, но тут уничтожается один положительный и один отрицательный заряд, и суммарный заряд остается прежним. Таким образом, теория сохранения заряда немного усложняется, но по-прежнему имеет мало отношения к математике. Вы просто складываете число протонов с числом позитронов и отнимаете число электронов, а кроме того, учитываете другие частицы, например отрицательные антипротоны и положительные p+-мезоны, ибо каждая элементарная частица несет заряд (возможно, равный нулю). Нам надо лишь сложить все заряды и найти общий, и, что бы ни случилось потом, какая бы реакция ни произошла, он будет оставаться постоянным.

Это одна сторона закона сохранения заряда. Теперь возникает интересный вопрос. Достаточно ли сказать, что заряд просто сохраняется, или надо еще что-нибудь добавить? Если бы заряд представлял собой вещественную подвижную частицу и сохранялся благодаря этому, то сохранение было бы гораздо более конкретным свойством. Мыслимы два возможных способа сохранения заряда внутри ящика. Первый способ – заряд перемещается внутри ящика из одного места в другое. Другая возможность состоит в том, что заряд в одном месте исчезает и в то же самое мгновение возникает в другом месте; это происходит одновременно, и общий заряд по-прежнему остается постоянным. Вторая возможность сохранения отличается от первой, когда для исчезновения заряда в одном месте и появления его в другом что-то должно перемещаться в промежуточном пространстве. Первая форма сохранения называется локальным сохранением зарядов и несет в себе гораздо больше смысла, чем простое утверждение о неизменности полного заряда. Как видите, мы уточняем наш закон – если действительно заряд сохраняется локально. А это действительно так. Время от времени я пытался продемонстрировать вам возможности логики, позволяющей связывать одну идею с другой, и теперь хочу проследить с вами за рассуждениями Эйнштейна, который пришел к выводу, что если некоторая величина сохраняется (в данном случае речь пойдет о заряде), то она сохраняется локально. Это рассуждение основывается на следующем: если два человека пролетают мимо друг друга в космических кораблях, то вопрос о том, кто из них движется, а кто стоит на месте, нельзя решить путем эксперимента. Это так называемый принцип относительности; он гласит, что равномерное движение по прямой линии относительно. Для обоих наблюдателей любое физическое явление будет выглядеть одинаково и не скажет им, кто из них стоит и кто движется.

Рис. 18

Пусть у нас есть два космических корабля, А и B (рис. 18). Предположим, я придерживаюсь того мнения, что корабль B стоит, а корабль A движется мимо него. Запомните, что это только мое мнение. Вы можете стать на другую точку зрения, хотя и видите те же самые явления природы. Предположим теперь, что внутри корабля находится человек, который хочет выяснить, одновременно ли происходит исчезновение заряда в одном конце корабля и возникновение его в другом. Чтобы быть уверенным в одновременности этих событий, он не должен сидеть в носу корабля, иначе он увидит одно раньше другого, так как свет с кормы дойдет до него не сразу. Поэтому будем считать, что он поместился точно посредине корабля. Другой человек занимается такими же наблюдениями в своем корабле. Ударяет молния; в точке x создается заряд, и в тот же самый миг в другом конце корабля, в точке у, заряд уничтожается, исчезает. Заметьте, что это происходит одновременно, в полном соответствии с нашими представлениями о сохранении заряда. Если мы теряем электрон в одном месте, то находим электрон в другом, но из первого места во второе ничто не перемещается. Предположим, что исчезновение и возникновение зарядов сопровождается вспышками, которые служат нам сигналом. Человек B говорит, что оба события произошли одновременно, потому что он сидит посредине корабля, а свет от вспышки в x, где заряд создается, и от вспышки в у, где заряд уничтожается, приходит к нему одновременно. Человек B скажет: «Да, оба события произошли одновременно». Но как посмотрит на это человек с другого корабля? Он скажет: «Нет, друг мой, вы ошибаетесь. Я видел, что в x заряд возник раньше, чем исчез в у». А все это потому, что он движется в направлении x и свет от x до наблюдателя проделывает меньший путь, чем от у, и приходит раньше. Этот человек может утверждать: «Нет, сначала заряд возник в x, а уж затем исчез в у. Значит, какое-то время между возникновением заряда в x и исчезновением в у существовал дополнительный заряд. Тут нет никакого сохранения. Это противоречит закону». Тогда первый возразит: «Но вы же движетесь». А второй ответит: «А откуда вы знаете? Мне кажется, что это вы движетесь», и т. д. Если невозможно установить экспериментальным путем, движемся мы или находимся в покое, поскольку физические законы от этого не зависят, то из нелокальности закона сохранения следовало бы, что он будет казаться правильным только тем людям, которые стоят на месте в абсолютном смысле. Но, согласно принципу относительности Эйнштейна, такое состояние невозможно, а следовательно, закон сохранения заряда не может быть нелокальным. Локальность сохранения заряда созвучна теории относительности, и то же самое можно сказать обо всех остальных законах сохранения. Как выяснилось, этот принцип распространяется на все сохраняющиеся величины.

Заряд обладает еще одним очень интересным и удивительным свойством, которому до сих пор не найдено объяснения. Оно никак не связано с законом сохранения. Заряд всегда изменяется порциями. Если у нас есть заряженная частица, то заряд ее может быть равен единице или двум, минус единице или минус двум. Хотя это свойство не связано с сохранением, я должен записать в табл. 1, что заряд изменяется порциями. Очень удобно, что он изменяется порциями – благодаря этому нам легче усвоить теорию сохранения. Речь идет о вещах, которые можно пересчитать и которые перемещаются из одного места в другое. И наконец, еще одно важное свойство заряда: он является источником электрического и магнитного поля. Поэтому на практике несложно определить величину полного заряда электрическим путем. Заряд – это мера взаимодействия тела с электричеством, с электрическим полем. Поэтому мы должны внести в табл. 1 еще одно свойство заряда: он является источником поля; другими словами, электричество связано с зарядом. Таким образом, эта сохраняющаяся величина обладает двумя свойствами, не связанными непосредственно с сохранением, но тем не менее интересными. Первое: заряд изменяется порциями – и второе: он является источником поля.

Существует много законов сохранения, и мы рассмотрим еще несколько законов, подобных сохранению заряда в том смысле, что они сводятся к простому пересчету. Например, существует закон сохранения барионов. Нейтрон может превратиться в протон. Если каждый из них мы будем считать единицей, или барионом, то число барионов при этом не изменится. Нейтрон несет единичный барионный заряд, т. е. представляет собой один барион; протон – тоже один барион (мы только и делаем, что считаем да придумываем умные слова!), поэтому если происходит реакция, о которой я сейчас говорил, и нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, то полное число барионов не меняется. Но это не единственная реакция такого рода. Протон, взаимодействуя с другим протоном, может создавать множество странных вещей, например L-частицу, протон и K+-мезон (Λ и K+ – названия странных частиц):

(легко) p + p → Λ + p + K+.

В этой реакции участвуют два бариона, но получается как будто бы только один, поэтому либо Λ-частица, либо K+-мезон является барионом. Если мы проследим за поведением L-частицы, то обнаружим, что она очень медленно распадается на протон и p-мезон:

(медленно) Λ → p + π,

а p-мезон в конце концов распадается на электроны и еще кое-что. Здесь снова появляется барион – в протоне, поэтому мы считаем, что барионный заряд L-частицы равен единице, а K+-мезон не несет барионного заряда, его барионный заряд равен нулю.

Таким образом, в табл. 1 вдобавок к заряду появляется новая величина – барионный заряд, который мы подсчитываем по такому правилу: барионное число равно числу протонов плюс число нейтронов плюс число L-частиц минус число антипротонов минус число антинейтронов и т. д. Это просто правило счета. Величина сохраняется, изменяется порциями, и хотя никто не уверен, но каждому хочется думать по аналогии, что она является источником поля. Мы для того и составляем такие таблицы, чтобы попытаться угадать законы ядерных взаимодействий, и это один из быстрейших способов разгадать природу. Если заряд является источником поля, а барионный заряд во всех остальных отношениях ведет себя точно так же, то он тоже должен быть источником поля. К сожалению, опыт пока что не подтверждает нашей догадки; может быть, она и верна, но мы слишком мало знаем, чтобы утверждать это с полной уверенностью.

Можно назвать еще одно или два таких правила счета, например для лептонного заряда, но основная идея их та же, что и в случае барионов. Есть, правда, один закон, несколько отличающийся от других. Реакции странных частиц характеризуются скоростью их протекания: одни реакции происходят легко и быстро, другие – медленно и с трудом. Слова «легко» и «с трудом» я употребляю не в смысле практического осуществления экспериментов. Речь идет о том, насколько быстро протекают реакции в естественной обстановке. Имеется явственное различие между двумя типами реакций, которые я упомянул; взаимодействием пары протонов и гораздо более медленным распадом L-частицы. Оказывается, что если рассматривать только быстрые и легкие реакции, то существует еще одно правило счета, согласно которому L-частице соответствует минус единица, K+-мезону – плюс единица, а протону – нуль. Это число называется странностью или гиперонным зарядом. Оно сохраняется при всех быстрых реакциях, но не сохраняется при медленных. Поэтому в табл. 1 мы должны внести еще один закон сохранения, называемый законом сохранения странности или гиперонного заряда, – закон, справедливый только отчасти. Это очень странное свойство, и вполне понятно, почему сама величина названа странностью. Она сохраняется лишь в некоторых случаях, зато изменяется всегда порциями. При изучении сильных взаимодействий, с которыми связаны ядерные силы, физики обнаружили, что странность сохраняется. Это натолкнуло их на мысль, что при сильных взаимодействиях странность также является источником поля. Но опять-таки полной уверенности в этом нет. А рассказал я об этом для того, чтобы стало яснее, как законы сохранения помогают нам угадывать новые законы.

Время от времени выдвигались другие законы сохранения, той же природы, что и эти правила счета. Химики, например, когда-то думали, что при любой реакции число атомов натрия остается неизменным. Но атомы натрия не неизменны. Можно превратить атомы одного элемента в атомы другого, так что первый элемент полностью исчезнет. Когда-то считался справедливым и другой закон: что постоянна полная масса предмета. Это зависит от того, как вы определяете массу и принимаете ли вы во внимание энергию. Закон сохранения массы содержится в законе сохранения энергии, который мы сейчас разберем. Из всех законов сохранения этот закон самый трудный и абстрактный, но и самый полезный. Его труднее понять, чем те, о которых мы только что говорили, потому что в случае заряда и в других рассмотренных случаях механизм понятен – все сводится более или менее к сохранению каких-то предметов. Более или менее потому, что одни предметы превращаются в другие, но все же речь идет о простом пересчете.

Сохранение энергии – несколько более сложный вопрос, хотя и здесь у нас есть число, которое не меняется со временем, число это не соответствует никакому определенному предмету. Чтобы прояснить суть дела, я приведу вам следующее простенькое сравнение.

Вообразите, что мать оставляет в комнате ребенка с 28 кубиками, которые нельзя сломать. Ребенок играет с кубиками целый день, и мать, вернувшись, обнаруживает, что кубиков по-прежнему 28 – она следит за сохранением кубиков! Так продолжается день за днем, но однажды, вернувшись, она находит всего 27 кубиков. Оказывается, один кубик валяется за окном – ребенок его выкинул. Рассматривая законы сохранения, прежде всего нужно убедиться в том, что ваши предметы не вылетают за окно. Такая же неувязка получится, если в гости к ребенку придет другой мальчик со своими кубиками. Ясно, что все это нужно учитывать, рассуждая о законах сохранения. В один прекрасный день мать, пересчитывая, обнаруживает всего 25 кубиков и подозревает, что остальные 3 ребенок спрятал в коробку для игрушек. Тогда она говорит: «Я открою коробку». «Нет, – отвечает он, – не смей открывать мою коробку». Но мама очень сообразительна и рассуждает так: «Я знаю, что пустая коробка весит 50 г, а каждый кубик весит 100 г, поэтому мне надо просто-напросто взвесить коробку». Затем, подсчитав число кубиков, она получит

– опять 28. Какое-то время все идет гладко, но потом сумма опять не сходится. Тут она замечает, что в раковине изменился уровень грязной воды. Она знает, что если кубиков в воде нет, то глубина ее равна 15 см, а если положить туда один кубик, то уровень повысится на 0,5 см. Поэтому она добавляет еще одно слагаемое:

и снова получается 28. Ребенок становится все более изобретательным, а мать не уступает ему, добавляя все новые и новые слагаемые, которые соответствуют кубикам, но с математической точки зрения представляют собой абстрактные числа, потому что самих кубиков не видно.

Теперь я попытаюсь объяснить, в чем сходство между сохранением кубиков и сохранением энергии и в чем различие. Для начала предположим, что ни при каких условиях вы не можете видеть кубики. Слагаемое «число видимых кубиков» всегда отсутствует. Тогда мать будет складывать множество слагаемых, таких, как «кубики в коробке», «кубики в воде» и т. д. Кубиков энергии, насколько нам известно, вообще нет. Кроме того, в отличие от кубиков количество энергии не обязательно выражается целым числом. Бедная мамаша может получить в одном слагаемом 61/₈ кубика, в другом – 7/₈, в третьем – 21 кубик, что по-прежнему составляет в сумме 28. Так обстоит дело с энергией.

Мы установили, что для закона сохранения энергии у нас есть схема с целым набором правил. Согласно каждому из этих правил, мы можем вычислить значение для каждого из видов энергии. Если мы сложим все значения, соответствующие разным видам энергии, то сумма их всегда будет одинаковой. Но, насколько мы знаем, не существует никаких реальных частиц (кубиков или шариков) энергии. Это абстрактное, чисто математическое правило: существует число, которое не меняется, когда бы вы его ни подсчитали. Более вразумительного объяснения я дать вам не в силах.

Энергия существует во всевозможных формах, подобно кубикам в коробке, кубикам в раковине и т. д. Есть энергия, связанная с движением (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (она называется потенциальной энергией тяготения); тепловая, электрическая и световая энергия; энергия упругости в пружинах; химическая энергия; ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица в силу одного своего существования, – эта энергия прямо зависит от массы. Обнаружил ее, как вы знаете, Эйнштейн. Я имею в виду его знаменитое соотношение Е = тс2.

Итак, существует много видов энергии, и мы кое-что знаем об их взаимосвязи, – в этом вопросе мы не совсем невежественны. Например, то, что мы называем тепловой энергией, в значительной степени лишь кинетическая энергия движения частиц в теле. Упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение – силы взаимодействия между атомами. Когда атомы перестраиваются в другом порядке, меняется энергия, а если меняется эта величина, то должна измениться и какая-то другая. Например, если вы что-то сжигаете, меняется химическая энергия, и вы обнаруживаете теплоту там, где ее раньше не было, ибо сумма энергий должна остаться прежней. Упругая энергия и химическая, обе связаны с взаимодействием атомов, и теперь нам известно, что эти взаимодействия являются комбинацией двух вещей – электрической энергии и опять-таки кинетической, только на этот раз формулу дает нам квантовая механика. Световая энергия – не что иное, как электромагнитная энергия, потому что свет теперь представляют себе как электрическую и магнитную волну. Ядерная энергия не выражается через другие виды энергии; сегодня я могу сказать только, что она – результат ядерных сил.

Закон сохранения энергии очень полезен в методическом отношении. Я приведу несколько простых примеров, чтобы показать вам, как, зная закон сохранения энергии и формулы для вычисления энергии, мы можем понять другие законы. Иными словами, многие другие законы не независимы, а являются как бы зашифрованными пересказами закона сохранения энергии. Простейший из них – правило рычага (рис. 19).

Рис. 19

На шарнире – рычаг. Длина одного плеча 1 м, другого – 4 м. Прежде всего вспомним закон для энергии тяготения: если у вас есть несколько грузов, то вы берете вес каждого груза, умножаете его на высоту над землей, складываете все вместе и получаете полную энергию тяготения. Пусть на длинном плече рычага груз массы 2 кг, на коротком – какой-то неизвестный груз массы Х; X – всегда неизвестная величина, поэтому давайте переименуем ее в W и сделаем вид, будто мы знаем о ней больше, чем на самом деле. Теперь вопрос в том, каким должен быть груз W для равновесия, чтобы рычаг тихо покачивался, но сильно не перекашивался. Если он тихо покачивается, то это означает, что энергия остается одинаковой и когда рычаг горизонтален, и когда он наклонен так, что груз в 2 кг поднялся, скажем, на 2 см. Раз энергия одинакова, рычагу безразлично, в каком он положении, и он не перекашивается. Если груз в 2 кг поднимается на 2 см, то насколько опускается груз W? Из рисунка ясно, что если AO = 1 м, а OB = 4 м, то при BB₁ = 2 см отрезок AA₁ будет равняться 0,5 см. Теперь применим закон для энергии тяготения. Вначале обе высоты BB₁ и AA₁ были равны нулю и общая энергия была равна нулю. Чтобы найти энергию повернувшегося рычага, мы умножаем вес груза массы 2 кг на высоту 2 см и складываем с неизвестным весом W, умноженным на высоту 0,5 см. Сумма должна дать прежнюю энергию – нуль. Поэтому

Это один из способов понять простой закон – хорошо известное вам правило рычага. Но интересно, что не только этот, но и сотни других законов можно тесно связать с различными видами энергии. Я привел вам этот пример только для того, чтобы показать, насколько полезен закон сохранения энергии.

Но вся беда в том, что на практике он не выполняется из-за трения в шарнире. Если что-то движется, например по горизонтальному полу катится шарик, то рано или поздно трение его остановит. А куда же денется кинетическая энергия шарика? Энергия движения шарика превратится в энергию колебания атомов пола и атомов шарика. Мир, если смотреть на него издали, кажется круглым, гладким, чисто отполированным шариком, но если посмотреть на него вблизи, он оказывается очень сложным: миллиарды крохотных атомов, всевозможные неровности. Он похож на крупную гальку у нас под ногами, ибо состоит из этих крохотных шариков. Таков и пол – бугристая дорога, насыпанная из шариков. Когда вы катите чудовищный голыш по этой гальке, вы видите, что галька – маленькие атомы – начинает подпрыгивать. После того как шар прокатился, атомы, которые остались позади, продолжают дрожать от тех толчков и ударов, которые они претерпели. Так в полу остается тепловая энергия, колебания атомов. На первый взгляд кажется, что закон сохранения несправедлив, ибо энергия прячется от нас и нам нужны термометры и другие приборы, чтобы ее обнаружить. Но как бы ни был сложен процесс, мы всегда находим, что энергия сохраняется, даже если не знаем других, более детальных законов.

Впервые закон сохранения энергии был продемонстрирован не физиком, а медиком. Он экспериментировал на крысах. Если вы сожжете пищу, то сможете найти, сколько выделилось тепла. Если такое же количество пищи вы дадите крысе, то пища вместе с кислородом превратится в углекислый газ, так же как и при горении. Измерив энергию в обоих случаях, вы обнаружите, что в живых существах происходит то же самое, что и в неживой природе. Жизнь так же подчиняется закону сохранения энергии, как и другие явления. Кстати говоря, всякий закон или принцип, справедливый для «неживой» природы и поддающийся проверке на великом феномене жизни, оказывается справедливым и там. В том, что касается законов физики, до сих пор не обнаружено разницы между неживыми предметами и живыми существами, хотя последние могут быть устроены гораздо сложнее.

Количество энергии в пище говорит вам, сколько тепла, механической работы и т. д. она может произвести. Измеряют эту величину в калориях. Когда говорят о калориях в пище, это не значит, что вы едите эти самые калории – они просто мера количества тепла, заключенного в пище. Физики иногда смотрят на других свысока и считают себя такими умными, что людям хочется поймать их на какой-нибудь ошибке. Я скажу вам, на чем их можно поймать. Им должно быть стыдно, что для измерения энергии они пользуются такой уймой способов и названий. Разве не бессмыслица, что энергию измеряют в калориях, в эргах, в электрон-вольтах, в килограммометрах, в британских тепловых единицах, в джоулях, в киловатт-часах – столько мер для одной и той же величины? Вы можете подумать, что по крайней мере современные первоклассные-то физики-теоретики приняли общую единицу, но загляните в их статьи: тут энергию измеряют и в кельвинах, и в мегагерцах, а теперь еще и в обратных ферми – последняя новинка. Если кому-нибудь нужны доказательства, что физики не лишены человеческих слабостей, то вот вам одно из них – столь огромное число единиц для измерения энергии.

Многие явления природы задают нам интересные загадки в связи с энергией. Не так давно были открыты объекты, названные квазарами[13]. Они находятся на громадных расстояниях от нас и излучают в виде света и радиоволн так много энергии, что возникает вопрос, откуда она берется. Если энергия сохраняется, то состояние квазара после того, как он излучил такое чудовищное количество энергии, должно отличаться от первоначального. Вопрос в том, является ли источником энергии гравитация – не произошел ли гравитационный коллапс квазара, переход в иное гравитационное состояние? Или это мощное излучение вызвано ядерной энергией? Никто не знает. Вы скажете: «А может быть, закон сохранения энергии несправедлив?» Нет, когда явление исследовано так мало, как квазар (квазары настолько далеки, что астрономам нелегко их увидеть), и как будто бы противоречит основным законам, обычно оказывается, что не закон ошибочен, а просто мы недостаточно знаем явление.

Другой интересный пример использования закона сохранения энергии – реакция распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Сначала думали, что нейтрон превращается в протон и электрон. Но когда измерили энергию всех частиц, оказалось, что энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона. Возможны были два объяснения. Во-первых, мог быть неправильным закон сохранения энергии. Бор[14] предположил, что закон сохранения выполняется только в среднем, статистически. Но теперь выяснилось, что правильно другое объяснение: энергии не совпадают потому, что при реакциях возникает еще какая-то частица – частица, которую мы называем теперь антинейтрино. Антинейтрино уносит с собой часть энергии. Вы скажете, что антинейтрино, мол, только для того и придумали, чтобы спасти закон сохранения энергии. Но оно спасает и многие другие законы, например закон сохранения количества движения, а совсем недавно мы получили прямые доказательства, что нейтрино действительно существует.

Этот пример очень показателен. Почему же мы можем распространять наши законы на области, подробно не изученные? Почему мы так уверены, что какое-то новое явление подчиняется закону сохранения энергии, если проверяли закон только на известных явлениях? Время от времени вы читаете в журналах, что физики убедились в ошибочности одного из своих любимых законов. Так, может быть, не нужно говорить, что закон выполняется в тех областях, куда мы еще не заглядывали? Но если вы никогда не скажете, что закон выполняется там, куда вы еще не заглядывали, вы ничего не узнаете. Если вы принимаете только те законы, которые относятся уже к проделанным опытам, вы не сможете сделать никаких предсказаний. А ведь единственная польза от науки в том, что она позволяет заглядывать вперед, строить догадки. Поэтому мы вечно ходим, вытянув шею. А что касается энергии, она, вероятнее всего, сохраняется и в других местах.

Вот почему наука недостоверна. Как только вы скажете что-нибудь об области опыта, с которой непосредственно не соприкасались, вы сразу же лишаетесь уверенности. Но мы обязательно должны говорить о тех областях, которых никогда не видели, иначе от науки не будет проку. Например, при движении тела его масса меняется из-за сохранения энергии. Из-за эквивалентности массы и энергии энергия, связанная с движением, проявляется как дополнительная масса. Двигаясь, тела становятся тяжелее. Ньютон был другого мнения. Он считал, что массы постоянны. Когда обнаружилось, что представления Ньютона неверны, все говорили: «Это ужасно! Физики нашли у себя ошибку! Почему же они думали, что они правы?» Эффект этот очень мал и проявляется только при скоростях, близких к скорости света. Если вы запустите волчок, то масса его останется такой же, как и в спокойном состоянии, с точностью до ничтожной дроби. Но тогда они должны были бы говорить так: «Если скорость не превышает такого-то значения, масса волчка не меняется». Все было бы ясно, не правда ли? Но нет. Ведь опыты проводились только с деревянными, медными и стальными волчками, и пришлось бы говорить: «Когда волчки, сделанные из меди, дерева и стали, крутятся не быстрее, чем с такой-то скоростью…» Как видите, мы не знаем всех условий, необходимых для опыта. Неизвестно, будет ли сохраняться масса радиоактивного волчка. Поэтому, если мы хотим, чтобы от науки была какая-то польза, мы должны строить догадки. Чтобы наука не превратилась в простые протоколы проделанных экспериментов, мы должны выдвигать законы, простирающиеся на еще не изведанные области. Ничего дурного тут нет, только наука оказывается из-за этого недостоверной. А если вы думали, что наука достоверна, вы ошибались.