Другие формы энергии

Подобным же образом мы можем проиллюстрировать существование и других форм энергии. Во-первых, рассмотрим энергию упругости. Если мы растягиваем пружину, то должны совершить какую-то работу, потому что растянутая пружина способна поднять груз. То есть, в растянутом состоянии она способна совершать некоторую работу. Если мы попытаемся, как раньше, перемножить вес и высоту, это ничего не даст — нужно добавить еще кое-что, чтобы учесть тот факт, что пружина находится в растянутом состоянии. Энергия упругости — это формула для растянутой пружины. Сколько в ней энергии? Если мы отпустим пружину, то при прохождении через точку равновесия вся ее энергия упругости превратится в кинетическую и затем начнет колебаться между упругой энергией сжатия и растяжения и кинетической энергией. (Здесь также участвует изменение энергии тяготения, но мы можем проделать тот же эксперимент, не повесив пружину, а положив.) И пружина будет колебаться, пока не остановится — вот мы и попались! До сих пор мы хитрили, добавляя небольшие грузики, чтобы начать движение, или считая, что машины обратимы, или полагая, что они будут работать бесконечно. Но из опыта мы знаем, что все, в конце концов, останавливается. Куда делась энергия, когда пружина остановилась в своих колебаниях? Она перешла в еще одну форму энергии — тепловую.

Внутри пружин и рычагов есть кристаллы, состоящие из множества атомов. Теоретически, если проявить чудесное старание и осторожность при соединении частей, можно попытаться добиться того, чтобы ни один атом не сдвинулся с места, когда две части соприкасаются друг с другом. Но для этого нужно быть очень осторожным. Обычно, когда одна вещь скользит по другой, происходят какие-то удары, покачивания из-за неровности поверхностей, и атомы внутри кристаллов приходят в движение. Так мы теряем доли этой энергии: когда движение замедляется, мы обнаруживаем лишь атомы, движущиеся безо всякого порядка. Да, это все еще кинетическая энергия, но она не связана ни с каким видимым движением. Что за чудо! Откуда же мы знаем, что здесь все-таки присутствует кинетическая энергия? Оказывается, при помощи термометра можно установить, что пружина или рычаг становятся теплее, то есть количество кинетической энергии действительно возрастает. Мы называем эту форму энергии тепловой энергией, но знаем, что это на самом деле не новая форма, а та же кинетическая энергия — только внутреннего движения. (Одна из трудностей всех опытов с большим количеством вещества заключается в том, что на самом деле мы не можем продемонстрировать сохранение энергии и на самом деле мы не можем построить обратимую машину, потому что каждый раз, когда мы передвигаем большой комок вещества, атомы не остаются в прежнем состоянии, и некоторое количество случайного движения переходит в атомную систему. Мы не можем ее увидеть, но мы можем измерить ее при помощи термометров и т. д.)

Есть и многие другие виды энергии и, конечно, мы не сможем описать их сейчас сколько-нибудь подробно. Существует электрическая энергия, связанная с притяжением и отталкиванием электрических зарядов. Существует энергия излучения, или энергия света — одна из форм электрической энергии, потому что свет может быть представлен как колебание электромагнитного поля. Существует химическая энергия, которая выделяется в химических реакциях. Энергия упругости в определенной мере похожа на химическую, химическая энергия отвечает за притяжение между атомами, как и энергия упругости. Сейчас мы понимаем это следующим образом: химическая энергия состоит из энергий двух видов — кинетической энергии вращения электронов внутри атомов и электрической энергии притяжения электронов и протонов. Затем, бывает ядерная энергия, которая отвечает за взаимное расположение частиц внутри ядра, и есть формулы для этой энергии, хотя основные законы нам и неведомы. Мы знаем, что она не электрическая, не тяготение, и не чисто химическая. Мы не знаем, какова ее природа. По-видимому, это добавочная форма энергии. В конце концов, теория относительности видоизменяет формулу кинетической энергии, так что название это становится условным, сочетая ее с другим понятием: энергией массы. У объекта есть энергия уже потому, что он существует. Если позитрон и электрон неподвижны, ничем не занимаются (если мы отбросим в сторону тяготение и все прочие виды взаимодействий), а потом они соединяются и исчезают, то освобождается определенное количество энергии излучения, и это количество можно подсчитать. Все, что требуется — это знать массу объектов. Неважно, что это за объекты — два тела исчезли, определенное количество энергии появилось. Формула была впервые открыта Эйнштейном; она проста: Е = тс .

Из наших рассуждений ясно, что закон сохранения энергии чрезвычайно полезен при анализе явлений, как мы показали на нескольких примерах, даже не зная формул. Если бы у нас были все формулы для всех видов энергии, то мы могли бы узнавать, не вдаваясь в детали, какие процессы возможны, а какие нет. Поэтому законы сохранения очень интересны. Естественно, встает вопрос, какие еще формы законов сохранения существуют в физике. Есть еще два закона, сходные с законом сохранению энергии. Один из них — закон сохранения импульса (или количества движения). Другой — сохранение момента количества движения. Мы узнаем о них больше позже.

В конечном счете, мы не понимаем законов сохранения достаточно глубоко. Нам непонятно сохранение энергии. Мы не понимаем, что такое энергия как таковая. Вы, наверное, уже слышали, что фотоны вылетают порциями и что энергия фотона равняется произведению его частоты на постоянную Планка. Это верно, но поскольку частота света может быть любой, то нет закона, согласно которому энергия фотона должна быть какой-то определенной величины. В отличие от кубиков Дениса, количество энергии может быть любым, по крайней мере, с точки зрения современного уровня знаний. Для нас энергия — это не то, что можно пересчитать, а только лишь математическая величина, очень абстрактная и даже, пожалуй, загадочная. В квантовой механике оказывается, что сохранение энергии очень тесно связано с другим важнейшим свойством мира: ход вещей не зависит от абсолютного времени. Мы можем провести эксперимент в определенный момент времени и наблюдать его результат, затем провести тот же эксперимент позже, и он будет проходить точно так же. Абсолютно ли верно это утверждение или нет, мы не знаем. Мы принимаем, что это положение абсолютно верно, добавляем принципы квантовой механики, и тогда можем вывести принцип сохранения энергии. Это очень тонкий и увлекательный вопрос, и его непросто объяснить. Другие законы сохранения тоже связаны друг с другом. Сохранение импульса в квантовой механике ассоциируется с тем утверждением, что не имеет значения, где мы проводим эксперимент, результаты всегда будут одинаковы. Так же, как сохранение импульса основывается на независимости от пространства, так независимость от времени отвечает за сохранение энергии и, в конце концов, если мы повернем прибор, это тоже ничего не изменит, так что независимость от ориентации в пространстве лежит в основе сохранения момента количества движения.

Существуют еще три вида законов сохранения, которые точны, насколько мы сегодня знаем, и которые гораздо легче понять, потому что здесь мы имеем дело с постоянными единицами — как бы считаем кубики. Первый из трех — сохранение заряда. Он означает только то, что количество положительных зарядов минус количество отрицательных всегда остается неизменным. Вы можете избавиться от положительных зарядов вместе с отрицательными, но в итоге сумма тех и других останется той же. Два другие закона аналогичны первому — один из них называется сохранением барионов. Есть ряд таких странных частиц, как, например, нейтроны и протоны, которые называются барионами. Какие бы процессы ни происходили в природе, число барионов на входе и на выходе всегда остается тем же. И еще один закон называется сохранением числа леп- тонов. Группа частиц под названием лептоны включает электрон, мю-мезон и нейтрино. Антиэлектрон, то есть позитрон, считается как -1 лептон. Подсчет общего числа лептонов в любой реакции показывает, что их число на входе и на выходе никогда не меняется, по крайней мере, насколько нам сейчас известно.

Таковы шесть законов сохранения, три замысловатых затрагивают пространство и время, а три относительно просты, поскольку оперируют целыми числами.

К сохраняемости энергии доступность и полезность энергии не имеет никакого отношения. В атомах морской воды не- ^[1]

мало энергии движения, ведь море имеет определенную температуру, но невозможно собрать это движение так, чтобы можно было его использовать, не получив энергии откуда-то извне. Так что, хотя мы и знаем, что энергия сохраняется, но энергию, доступную для использования человеком, не так-то легко сохранить. Законы, управляющие количеством доступной энергии, называются законами термодинамики, и включают понятие энтропии необратимых термодинамических процессов.

И наконец, несколько замечаний относительно того, откуда мы можем черпать сегодня запасы энергии. Наши источники энергии — это Солнце, дождь, уголь, уран и водород. Солнце производит дождь, а также и уголь, так что и эти два источника в конечном счете сводятся к солнечной энергии. Хотя энергия сохраняется, природа, похоже, об этом не заботится; Солнце выделяет огромное количество энергии, но только одна часть из двух миллиардов попадает на Землю. Природа не теряет энергию, но она вовсе не заботится об этом; она расходует энергию направо и налево. Мы уже научились добывать энергию из урана; мы можем также получать ее из водорода, но пока со взрывами и в опасных формах. Если бы нам удалось взять под контроль термоядерную реакцию, то оказалось бы, что 10 л воды за секунду могут дать столько лее энергии, сколько вся электроэнергия, произведенная в Соединенных Штатах. Потока в 600 л в минуту было бы достаточно, чтобы восполнить всю энергию, используемую сегодня в США! Так что теперь дело за физиками, которые должны выяснить, как избавить нас от нехватки энергии. И это, бесспорно, достижимо.

• [1] Если считать антибарион как -1 барион.