Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Если закон сохранения, который мы выводим, должен охватить работу и все формы энергии (а не только одну механическую энергию), то необходимо показать, что одна форма энергии может быть преобразована в другую форму количественно. Другими словами, в таких энергетических преобразованиях следует рассматривать всю энергию, существующую в процессе; никакая энергия не должна быть полностью потеряна и никакая не создана.

Эта точка зрения была тщательно проверена в 1840-х годах английским пивоваром по имени Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), чьим хобби было изучение физики. Он измерил теплоту, произведенную электрическим током, трением воды об стекло, образованную кинетической энергией вращения лопастей привода водяного колеса в воде, работой, которая потребовалась для сжатия газа, и так далее. При этом он нашел, что некоторое определенное количество одного вида энергии конвертируется в определенное количество другого вида энергии и что если рассматривать энергию во всем множестве ее проявлений, то никакая энергия не создается или теряется. Именно в его честь единицу измерения работы и энергии в системе МКС назвали «джоулем».

В более ограниченном смысле можно сказать, что Джоуль доказал, что некоторое определенное количество работы всегда производит некоторое количество теплоты. Применяемая обычно в Британии единица работы «фут на фунт» равна работе, которая требуется, чтобы поднять один фунт массы на высоту в один фут, преодолевая силу тяжести. Общепринятая британская единица теплоты называется «британская тепловая единица» (обычно сокращаемая до «Btu») и является тем количеством теплоты, которое требуется, чтобы поднять температуру одного фунта воды на 1° Фаренгейта. Джоуль и его преемники решили, что 778 фут-фунтов эквивалентны 1 Btu, и именно это и называется «механическим эквивалентом теплоты».

Гораздо предпочтительнее выражать этот механический эквивалент теплоты в метрической системе единиц измерения. Фут-фунт равен 1,356 джоуля, то есть 778 фут-фунтов равны 1055 джоулям. Кроме того, наиболее распространенная единица количества теплоты в физике — это «калория», которая равна количеству теплоты, которое требуется, чтобы поднять температуру одного грамма воды на Г Цельсия (т. е. по стоградусной шкале) [28] Более подробно о градусах Фаренгейта, градусах Цельсия, калориях и других подобных единицах мы поговорим позже — в 13-й и 14-й главах этой книги. ; 1 Btu равен 252 калориям (кал). Поэтому механический эквивалент теплоты Джоуля может быть выражен таким образом: поскольку 1055 джоулей равняются 252 калориям, то 4,18 джоуля = 1 калории.

Как только стало ясным перечисленное выше, дальнейшим естественным ходом было предположить, что закон сохранения механической энергии должен быть преобразован в закон сохранения энергии, то есть включить в себя самый широкий смысл того, что мы понимаем под понятиями «энергия», «работа», «механическая энергия», «теплота» и всеми остальными, которые могли бы быть конвертированы в теплоту. Джоуль видел это, и даже до того, как его эксперименты получили дальнейшее развитие, немецкий физик Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878) экспериментально подтвердил истинность таких предположений. Однако впервые закон сохранения энергии был заявлен научному сообществу в форме достаточно ясной и недвусмысленной в 1847 году немецким физиком и биологом Германом фон Гельмгольцем (1821–1894), и поэтому именно он считается первооткрывателем закона.

Закон сохранения энергии, вероятно, является наиболее фундаментальным из всех обобщений, сделанных учеными-физиками, и таким, от которого им меньше всего хотелось бы отказываться. Мы рады сообщить, что пока что этот закон держится, несмотря на все отклонения реальной Вселенной от идеальных моделей, основанных учеными; он справедлив для всех систем — живых и неживых — и действует как для крошечного мира субатомного царства, так и для космического мира галактик. По крайней мере дважды в прошлом (XX) столетии были обнаружены явления, которые, казалось, нарушали закон сохранения энергии, но физики оба раза оказались в состоянии спасти закон, расширяя интерпретацию понятия «энергия». В 1905 году Альберт Эйнштейн доказал, что сама масса является формой энергии, а в 1931 году австрийский физик Вольфганг Паули (1900–1958) выдвинул концепцию нового вида субатомной частицы — «нейтрино», существование которой смогло объяснить очевидные отклонения от закона сохранения энергии.

И все это не было просто вопросом «спасения лица» или внесения исправлений в закон, который начал «разваливаться» и «плыть». Каждое расширение концепции «сохранения энергии» аккуратно вписалось в расширяющуюся структуру науки XX века и помогло объяснить происхождение явлений; оно также помогло предсказать (и абсолютно точно) другие явления, которые нельзя было бы объяснить или предсказать иначе. Ядерная бомба, например, явление, которое можно объяснить только в соответствии с эйнштейновской концепцией о том, что масса является формой энергии.

Закон сохранения энергии служит, чтобы пролить свет на те виды движения, которые мы еще не рассмотрели.

Рассмотренные до настоящего момента виды движений независимо от того, были ли они поступательными или вращательными, происходили (если их не нарушать) непрерывно и в одном направлении. Однако любое движение способно прогрессировать поочередно: сначала в одном, а затем — в другом направлении, изменяя свое направление иногда после долгого интервала времени, иногда после короткого, а иногда — даже очень короткого. Такое движение в противоположных направлениях называется «вибрацией» или «вибрационным движением» (от латинского слова, означающего «колебаться, дрожать»).

Этот тип движения весьма распространен, и мы его постоянно видим и чувствуем, например колебание или дрожание веток и листьев растений под воздействием ветра или быструю дрожь работающих машин, например автомобиля, работающего на холостых оборотах; даже стук наших зубов или тряска рук, когда мы дрожим от холода или возбуждения, являются примерами вибрационных колебаний.

Первой формой вибрации, которую подвергли научным исследованиям, было дрожание тугой струны. Такие струны использовались в музыкальных инструментах, известных даже древнейшим; струны издают музыкальные звуки благодаря тому, что вибрационные движения, которые передаются струнами непосредственно воздуху, порождают акустические колебания (см. главы 11, 12). Первым, кто начал изучать такие колебания, был древнегреческий математик и философ Пифагор Самосский (VI столетие до н.э.). Его интересы лежали полностью в изучении взаимоотношений этих колебаний и музыки, и как результат вибрационные колебания часто стали называть «гармоническими колебаниями».