Валентин Ирхин - Уставы небес, 16 глав о науке и вере

При распространении закона сохранения энергии на Вселенную как целое возникают серьезные методологические трудности:

Закон сохранения энергии может иметь только одни смысл, а именно: существует некоторое свойство, присущее всем возможностям; но по детерминистской гипотезе существует лишь единственная возможность, а тогда закон теряет свой смысл. Напротив, при допущении индетерминистской гипотезы он имел бы смысл и тогда, когда бы мы пожелали придать ему абсолютное значение: он представился бы ограничением, наложенным на свободу. Но слово "свобода" напоминает мне, что я выхожу за пределы физико-математической области. Поэтому... закон Майера является формой достаточно гибкой, чтобы можно было вложить в нее почти все, что угодно (А.Пуанкаре, О науке, с.88).

Во избежание недоразумений подчеркнем, что абстрактное понятие полной энергии не имеет столь большой практической ценности, как это могло бы показаться на первый взгляд. Например, в тепловых процессах может быть использована лишь так называемая свободная энергия (полной утилизации тепловой энергии препятствует второе начало термодинамики, см. ниже главу 15). Знаменитая формула Эйнштейна E mc[2 ], устанавливающая эквивалентность массы и полной энергии, лишь соблазняет колоссальными недоступными запасами энергии, которые содержатся даже в малых количествах любого вещества. Использование большей части этой "энергии покоя" невозможно из-за другого закона сохранения - закона сохранения барионного заряда: если не рассматривать процессы с участием антивещества, то общее количество ядерных частиц - протонов и нейтронов - измениться не может. В процессах деления тяжелых ядер или синтеза легких высвобождается лишь энергия связи протонов и нейтронов друг с другом. Скажем, в цикле реакций синтеза ядра гелия из четырех ядер водорода, который является основным источником звездной энергии, в энергию превращается около 0,7% массы; впрочем, и это энерговыделение несопоставимо превосходит энергетический эффект химических реакций, например, горения. Полное превращение энергии массы (энергии покоя) в другие формы энергии (например, в энергию излучения) возможно лишь в двух ситуациях: при аннигиляции вещества и антивещества и при падении вещества в черную дыру. Предполагается, что именно процессы последнего типа ответственны за чудовищное энерговыделение ядер "активных" галактик и, возможно, квазаров (см., например, популярную книгу И.С. Шкловского, Проблемы современной астрофизики, М., Наука, 1988).

В современной физике законы сохранения связываются с некоторыми симметриями (свойствами инвариантности). Основа для такой связи устанавливается теоремой Э. Нетер классической механики и ее квантовым аналогом, принадлежащим Ю. Вигнеру (см. его относительно популярно написанную книгу "Этюды о симметрии"). Так, закон сохранения импульса оказывается следствием однородности пространства, закон сохранения момента импульса (момента количества движения) - изотропности пространства, а закон сохранения энергии - следствием однородности времени. В общей теории относительности Эйнштейна, где пространство и время неоднородны и искривлены (это искривление и есть гравитация, см. главу 11), ситуация с законами сохранения оказывается чрезвычайно сложной. В определенном смысле они обращаются в тождество, то есть сводятся к равенству 0 0 (говоря более формально, речь идет о так называемых тождествах Бианки тензорного анализа). В конечном счете, в общей теории относительности не удается ввести плотность энергии и импульса гравитационного поля в том же смысле, как, скажем, для электромагнитного поля (последнее характеризуется тензором энергии-импульса, а гравитационное поле - псевдотензором). Это послужило основой для попыток пересмотреть общую теорию относительности, заменив ее "полевой теорией гравитации" (в работах А.А. Логунова и его сотрудников); последующая дискуссия показала, однако, что для такого пересмотра все же нет ни теоретических, ни экспериментальных оснований. Мы не имеем возможности обсуждать здесь эти весьма специальные вопросы; важно лишь подчеркнуть, что формулировка закона сохранения энергии в присутствии гравитационного поля оказывается весьма нетривиальной задачей.

Другие нетривиальные проблемы связаны с законом сохранения энергии в квантовой физике. Этот закон является строгим в том смысле, что если сравнивать сумму энергий всех частиц до и после взаимодействия (то есть в бесконечном прошлом и бесконечном будущем), то она совпадет. Если же мы рассматриваем процесс, происходящий за конечное время, то энергия сохраняется в квантовой механике лишь с определенной точностью, которая тем меньше, чем короче этот процесс. Математическим выражением этого является принцип неопределенности энергия-время. Несмотря на его внешнее сходство с принципом неопределенности координата-импульс (невозможность определить скорость и координату частицы в один и тот же момент времени, см. главу 10), его физический смысл совершенно иной. Квантовая частица, строго говоря, просто не имеет определенного значения (и даже направления) скорости, так как движется по всем траекториям сразу. В то же время стабильная частица имеет определенное значение энергии, просто для измерения его требуется достаточно большой промежуток времени. Нестабильная частица действительно не имеет строго определенной энергии; разброс в значениях ее энергии обратно пропорционален времени жизни этой частицы. Важно, однако, подчеркнуть, что если мы рассматриваем процесс, происходящий в ограниченной области пространства в ограниченный промежуток времени (в пределе - здесь и сейчас), законы сохранения для такого процесса выполняться не будут. С этим связано важнейшее для современной физики понятие виртуальных частиц. Пусть, например, некая частица (для определенности, протон) родила из вакуума другую частицу (для определенности, пи-мезон). Так как последняя обладает массой, и, следовательно, энергией покоя, то такой процесс нарушает закон сохранения энергии. Если этот пи-мезон будет поглощен другим протоном через достаточно короткий промежуток времени (определяемый соотношением неопределенности), то это нарушение допустимо и возможно. Такой процесс лежит в основе мезонной теории ядерных сил, предложенной японским физиком Х. Юкавой. Сейчас она заменена более изощренными схемами с участием кварков и переносчиков взаимодействия между ними - глюонов, но общая идея Юкавы остается совершенно правильной. При этом обмен массивными виртуальными частицами может происходить лишь на малых расстояниях. Дальнодействующие же силы - электромагнитные и гравитационные - с этой точки зрения могут рассматриваться как обмен безмассовыми (движущимися со скоростью света) частицами - соответственно, фотонами и гравитонами.