Физика времени

То же можно сказать и о пространственных симметриях. В пространстве классической физики нет ни каких-то выделенных точек, ни выделенных направлений. Все точки, все направления одинаковы и равноправны, и потому физические эксперименты, проделываемые в разных местах и при различной ориентации приборов по направлениям, дают одни и те же результаты. Однородность пространства — это его симметрия относительно всевозможных сдвигов. Изотропия — симметрия относительно всевозможных поворотов вращений вокруг всевозможных осей в пространстве.

Вечный двигатель

Одно из незыблемых законов классической физики — закон сохранения энергии. Если некоторая система тел изолирована от всех других тел и никак с ними не взаимодействует, то энергия этой системы не меняется со временем, остается всегда одной и той же. Она может только переходить из одной формы в другую при разнообразных превращениях внутри системы. Например, кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот, как это известно по примерам свободного падения тел в поле тяготения.

Если же система взаимодействует с другими телами, то ее энергия может измениться, но всегда так, что сколько энергии она получит (потеряет), столько же ее потеряют (получат) эти другие тела.

Закон сохранения энергии был выведен в XVII веке из многочисленных экспериментов с различными движущимися телами. Слово энергия образовано от греческого корня, имеющего значение действие. Энергия служит общей количественной мерой всех видов механических движений и взаимодействий тел в природе. К середине XIX века закон сохранения энергии был распространен и на механические явления, прежде всего тепловые. В термодинамике этот закон называют первым началом, указывая тем самым на его важнейшее значение.

Классическая физика позволила дать закону сохранения механической энергии точную математическую формулировку. Этот закон с неизбежностью вытекает из классических законов движения Ньютона. Закон сохранения механической энергии один из строгих законов механики — он запрещает, категорически исключает какие бы то ни было ее нарушения или отклонения от него. В частности, он безусловно запрещает вечный двигатель — машину, черпающую энергию из ничего. Эту извечную мечту фантазеров-изобретателей, которые, как ни странно, не перевелись и до сих пор и растрачивают время, силы и ум ради безнадежной цели.

Закон сохранения энергии вносит в вечно меняющийся мир физических явлений черты прочности, устойчивости. В нем всегда ощущалось нечто неколебимое, опирающееся на самый глубокий фундамент природы. Над его внутренней причиной немало размышляли во все времена.

Ответ был дан лишь в 1918 году немецким математиком Эмми Нётер. В своих исследованиях она опиралась на классическую механику, ограничиваясь ее рамками. (Обратим внимание на дату: к 1918 году появилась уже теория относительности, обобщившая классическую механику.)

Что же оказалось? Оказалось, что энергия сохраняется по той причине, что время обладает симметрией, что оно однородно. Это неотъемлемое свойство абсолютного времени, и потому закон сохранения энергии обладает такой непререкаемой властью.

Выясняется, таким образом, что закон сохранения энергии — это, следствие не механики вообще, а именно той концепции времени, которую она принимает. Закон сохранения доказывается с непреложной силой, с какой доказываются теоремы геометрии. Кстати, утверждение о связи сохранения энергии с однородностью времени и называют теоремой Нётер.

Точнее, так называют более общее утверждение, которое устанавливает также связи между другими законами сохранения и симметриями — но уже не времени, а пространства. Однородность пространства влечет за собой закон сохранения важной механической величины — импульса, или количества движения. А из изотропии пространства вытекает закон сохранения другой, не менее важной величины — момента импульса, или момента количества движения*).

_{*) Напомним, что импульс движущего тела есть произведение его массы на скорость движения. Пример движения с моментом импульса можно видеть, наблюдая движение тела по круговой орбите; в этом случае момент импульса есть произведение массы тела на его скорость и радиус орбиты.}

Итак, вечный двигатель запрещен свойствами времени — он невозможен, ибо время однородно.