Закон сохранения энергии
Хорошо известно, что кинетическая энергия может превращаться в потенциальную. Самый простой пример — камень, подброшенный вверх. В верхней точке, когда камень на мгновение останавливается, вся кинетическая энергия переходит в потенциальную.
Но вот более интересный пример. Очень легко самому сделать игрушку, которая на первый взгляд нарушает закон сохранения энергии. Снаружи это просто круглая банка из-под какао. Вы кладете ее на пол и толкаете. Она проходит некоторое расстояние и останавливается. Но сразу после остановки, к удивлению зрителей, она начинает катиться обратно. В чем же здесь дело?
Вот как устроена эта игрушка (см. рис.). По оси банки проходит жгут из резинок, таких, какие используются для моторчиков авиамоделей. Концы жгута прикреплены к дну и крышке банки. К середине жгута привязан на веревочке свинцовый грузик. Когда банка катится, грузик висит вертикально и резина при вращении банки закручивается. Кинетическая энергия банки переходит в потенциальную энергию закручивания резины, и банка останавливается. После остановки резина раскручивается и приводит в движение банку. Энергия из потенциальной снова превратилась в кинетическую.
Для проверки закона сохранения энергии нужно убедиться, что при обратном движении банки кинетической энергии оказалось столько же, сколько было вначале. Конечно, при этом всегда получается нехватка: часть энергии из-за трения переходит в тепло.
Как установить, что энергия, которая перешла в тепло, в точности равна нехватке кинетической энергии? Как сравнить тепловую и механическую энергии? Ведь вернуть тепловую энергию обратно в кинетическую не так легко, как в случае потенциальной энергии.
Для установления закона сохранения энергии нужно доказать, что при любом способе превращения определенного количества механической энергии в тепловую выделяется одно и то же количество тепла и, наоборот, когда совершается работа за счет охлаждения, это количество тепла переходит в такое же количество механической энергии.
Из школьного курса физики известно, что начало этому доказательству было положено в прошлом веке немецким ученым Ю. Майером и английским физиком Дж. Джоулем.
С тех пор закон сохранения энергии был точно проверен не только для перехода механической энергии в тепловую, но и для перехода в химическую и электромагнитную энергию, а также для перехода электрической или химической энергии в тепловую.
Какие бы явления ни изучались, каждый раз кажущееся несохранение энергии на самом деле означало переход энергии из одной формы в другую.
И все-таки в 30-х гг. XX в. физики усомнились в правильности закона сохранения энергии. Было изучено явление радиоактивного распада (см. Радиоактивность). Обнаружили, что энергия электронов, вылетающих в результате распада, всегда меньше, чем разность энергий ядер (см. Ядро атома) до и после распада.
Закон сохранения энергии был «спасен» следующим способом. Предположили, что наряду с электроном при радиоактивном распаде вылетает нейтрино — нейтральная частица, которая почти не взаимодействует с веществом и поэтому, не останавливаясь, вылетает из установки, унося с собой излишек энергии. Измерили даже количество движения ядра, которое возникает после вылета нейтрино в результате отдачи. Однако для окончательного доказательства существования нейтрино нужно было увидеть непосредственное действие нейтрино на вещество. Такой опыт был осуществлен в 1953 г. американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуэном. Поток нейтрино, которые образовались в результате радиоактивного распада ядер в ядерном реакторе, падал на воду. Нейтрино взаимодействовали с ядрами водорода (протонами), и получались нейтроны и позитроны. Эту реакцию можно было установить, наблюдая γ-кванты (см. Гамма-излучение), которые возникают при аннигиляции образующихся позитронов с электронами окружающего вещества и при ядерном захвате нейтронов.
В чем же причина такого общего свойства природы? Почему закон сохранения энергии выполняется с такой большой точностью во всех известных случаях? Не может ли оказаться, что мы найдем такое явление, где энергия не будет сохраняться? Это настолько важные вопросы, что необходимо понять, не связан ли закон сохранения энергии с другими общими свойствами природы. Оказывается, закон сохранения энергии является строгим следствием равномерности хода времени.
Что же такое ход времени и что означает его равномерность? Ход времени определяется относительной скоростью протекания различных процессов в природе. Время прохождения космическим кораблем расстояния от Земли до Луны можно сравнить с временем прохождения того же расстояния светом. Ход стрелки часов можно определить числом периодов колебания света, излучаемого атомом за время перемещения стрелки на одно деление. Любое измерение интервала времени означает сравнение ритмов разных процессов.
Равномерность хода времени означает, что всегда — и сегодня, и завтра, и через год — относительная скорость протекания всех процессов в природе одинакова.
Если какая-либо машина или лабораторная установка в этом году работает не так, как в прошлом, то нам всегда удается это объяснить износом деталей или изменением климата, но не изменением в ходе времени.
Равномерность хода времени установлена с колоссальной точностью на примере излучения атомов. Атомы на звезде излучают свет такой же длины волны, как и атомы сегодняшнего дня, даже если свет этот был излучен миллиард лет тому назад.
Все известные нам законы природы, в том числе и биологические, подтверждают равномерность хода времени.
Мы не будем приводить строгого доказательства того, что закон сохранения энергии вытекает из равномерности хода времени. Поясним лишь, как неравномерность хода времени приводит к несохранению энергии. Допустим, эта неравномерность проявилась в том, что в некоторый момент времени начала периодически изменяться константа всемирного тяготения. Тогда можно было бы извлекать энергию. Для этого надо поднимать грузы вверх в период слабого тяготения и сбрасывать их в период более сильного тяготения. Получился бы выигрыш в кинетической энергии. Очевидно, что неравномерность хода времени, т. е. изменение относительного ритма разных процессов, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
Теперь не удивительно, что закон сохранения энергии выполняется во всех явлениях природы. Ведь он вытекает из такого общего свой* ства нашего мира, как равномерность хода времени.
