Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Соотношение между массой и энергией — очень трудный вопрос, к пониманию которого физики пришли далеко не сразу. В начале нашего века они с удивлением обнаружили, что масса тел не остается постоянной, а зависит от их скорости. А поскольку тогда считалось совершенно очевидным, что масса и материя — одно и то же, многим показалось, что материя может исчезать и возникать вновь. Получалось, что первичной в мире является не сама субстанция, а нечто нематериальное, связанное с ее движением. На глазах физиков распадались основы их науки, отказывались служить самые исходные ее представления. Зашаталась, можно сказать, вся картина мироздания — ведь ее фундаментом была физика! Это было время, когда даже наиболее талантливые физики усомнились в возможности примирить возникшие противоречия.

Выход нашла материалистическая философия. Вначале некоторые ученые и вместе с ними философы идеалистического толка были склонны отказаться от понятия материи, считая его устаревшим, вроде представления о флогистоне. Первоосновой мира они предложили считать энергию. Правда, при этом сразу же возникал трудный вопрос: как можно говорить об энергии движения, если нет того, что движется? Последовательное развитие таких взглядов в конечном счете приводило не к научному, а к религиозному миропониманию. Выход был в том, чтобы не отказываться от понятия материи, а основываться на более точном ее понимании. Масса — это не материя, а всего лишь одна из многих ее характеристик. Ее изменение вовсе не означает, что материя исчезает или рождается из ничего. Этот выход из кризиса, поразившего физику в начале XX в., был указан В. И. Лениным в его знаменитой книге «Материализм и эмпириокритицизм». Мастерски владея методами философского анализа, Ленин не был физиком, но он сумел разобраться в сложных вопросах современной ему науки и указать путь, которого не видели сами физики. Это ли не самый яркий пример того, как марксистская философия помогает естествознанию в решении конкретных его проблем!

Массой и энергией обладают все известные нам виды материи. Правда, не совсем ясно, как быть с гравитационным полем... Однако прежде чем перейти к гравитации, мы должны познакомиться с теоремой, которая связала энергию и время.

...Даже благожелательно настроенные коллеги не могли утверждать, что приват-доцент Геттингенского университета Эмми Неттер — привлекательная женщина. Невысокая, плотная, с громким и неприятным голосом, как вспоминают знавшие ее люди, она к тому же была весьма небрежна в своих манерах и одежде. Она больше походила, говорят они, на энергичную и очень близорукую прачку, чем на преподавателя университета, и грации не стояли у ее колыбели. Однако если греческие боги и богини имели обыкновение нисходить с Олимпа к новорожденным, то у изголовья маленькой Эмми наверняка стояла покровительница наук Афина. По своим интеллектуальным данным Неттер была женщиной выдающейся. Именно ей современная наука обязана несколькими выдающимися открытиями и идеями, в том числе замечательной теоремой о том, что каждой симметрии физической системы соответствует свой особый закон сохранения.

Симметрий много: при отражении, при поворотах и вращениях, при сдвигах... И каждый раз, когда система обладает какой-либо симметрией, она подчиняется соответствующему закону сохранения. Эта теорема имеет сложное математическое доказательство, однако физический смысл ее понять нетрудно. Дело в том, что любая симметрия уменьшает свободу системы, накладывая на нее определенные ограничения. Выражением этих ограничений и является закон сохранения. Это дополнительная связь между параметрами системы, ограничение их изменений.

Если быть более точным, придется добавить, что теорема Неттер относится к так называемой непрерывной симметрии. Свойства физических процессов никак не изменятся, если сдвинуть начальную точку отсчета времени или непрерывно смещать и поворачивать пространственную систему координат. По отношению ко всем таким преобразованиям физические законы симметричны или, как говорят, инвариантны. Так вот, Неттер доказала, что если течение времени равномерное и ни один его момент не выделен по сравнению с другим, то в любой изолированной системе должен выполняться закон сохранения энергии. Из условия однородности, полного равноправия пространственных координат вытекает закон сохранения импульса, а изотропия пространства, то есть отсутствие в нем каких-либо выделенных направлений, приводит к закону сохранения углового момента. И наоборот, нарушение пространственно-временной симметрии должно приводить к удивительным явлениям: изолированное тело в состоянии само по себе, без всяких внешних причин, ускоряться или замедляться, способна возрасти или уменьшиться скорость вращения небесных тел, может нарушаться энергетический баланс реакций и так далее. Для жителей несимметричного мира все это выглядит так, как если бы само пространство-время стало действовать на погруженные в него объекты.

Вывод Неттер о том, что законы сохранения энергии, импульса и момента связаны с фундаментальными свойствами окружающего нас пространства и времени, то есть зависят от космологии нашего мира, это, без сомнения, одна из самых выдающихся физических идей века. Правда, сами физики далеко не сразу осознали ее значение. В течение нескольких десятилетий теорема Неттер. оставалась в тени, и знали о ней больше математики, чем физики.

Эмми Неттер не довелось стать свидетелем триумфа своей теории. Несмотря на выдающиеся научные достижения, ей долго не присуждали звания приват-доцента. В кайзеровской Германии, где интересы женщин сознательно ограничивались «тремя К» — Kirche (церковь), Kuche (кухня), Kinder (дети),— это выглядело бы вопиющим нарушением традиций. Выдающийся геттингенский математик Давид Гильберт, потеряв терпение, однажды сказал с горькой и грубоватой иронией:

— Не вижу, почему пол кандидата должен быть помехой для присуждения ему ученого звания. В конце концов университет — не баня.

Позднее, уже в 30-х годах, спасаясь от преследований нацистов, Неттер эмигрировала из Германии в далекую Америку и там вскоре умерла.

Открытая ею теорема позволяет совершенно по-новому взглянуть на границы применимости законов сохранения. Ведь трудно думать, что равномерность времени и однородность пространства являются всеобщими, не знающими никаких исключений свойствами. Наука давно отказалась от представлений о том, что в природе существует единое, ни от чего не зависящее время и абсолютное бесконечное пространство, в которое погружены все тела. Можно ожидать, как мы уже говорили, радикального изменения свойств пространства и времени в ультрамалом, где становятся возможными спонтанные флюктуации скорости течения и далее самого направления времени, а метрика пространства оказывается зависящей от времени. В развитии космоса также могут быть особые, выделенные моменты времени, тот же Большой взрыв, например, которым началось развитие нашей Вселенной. Все это заставляет предполагать, что при определенных условиях закон сохранения энергии может и не соблюдаться.