Характер Физических Законов
Шрифт:
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).
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 № получаете полную энергию тяготения. Пусть на длинном плече рычага груз массы 2 кг, на коротком - какой-то неизвестный груз массы X ; Х – 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 эн ергия 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 АO = 1 м, а OB = 4 м, то при BB i = 2 см отрезок AA i будет равняться 0,5 см. Теперь применим закон для энергии тяготения. Вначале обе высоты BB i и AA i 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
2 - W / 4 = 0, откуда W =8.
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 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 затяните 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 {7} . 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 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?"