Кварки, протоны, Вселенная

Большинство из нас еще из школьных учебников помнит, что энергия — это запасенная работа. В возможности совершить работу как раз и состоит то общее, что объединяет различные виды энергии. Что же такое работа, мы имеем представление из повседневной практики. В самом же общем случае Энгельс связал работу со способностью различных видов материи изменять форму своего движения. Переход от механического движения к тепловому, от теплового к электромагнитному и так далее всегда сопровождается работой. А так как движение в философии понимается очень широко — как любое изменение свойств и качеств материи, то, казалось бы, можно сделать вывод о том, что работа и энергия — величины совершенно универсальные, присущие любым физическим процессам и явлениям. Но это не так.

Энгельс в очень общей форме выразил то основное, что характеризует работу и энергию, и это справедливо и точно. Но отсюда вовсе не следует, как кажется некоторым ученым, что эти величины связаны с любым видом движения. Ведь исходя из того факта, что яблоко — плод, растущий на дереве, мы не станем утверждать, что на любом плодовом дереве обязательно должны расти яблоки. В природе могут существовать и такие формы движения, с которыми энергия не связана, она для них не имеет смысла. Иначе говоря, в природе возможно движение без энергии, не нарушение закона сохранения энергии, а как бы его отсутствие в определенных обстоятельствах.

В своих работах Энгельс не раз писал об ограниченности всякого свойства, любой физической величины. Энергия — не исключение. Можно не сомневаться, что в будущем появятся теории, в которых место энергии займет какая-то другая, возможно, связанная с ней, но более общая величина. Природа, как мы не раз убеждались, неисчерпаема.

Как уже говорилось, в нашем восприятии окружающего мира мы похожи иногда на очень близорукого человека, который снял очки, отчего мелко напечатанный текст кажется ему сплошным серым фоном. Заметить неоднородности можно лишь сквозь «очки» будущих физических экспериментов. И тогда, подсказывает нам философия, мы убедимся, что закон сохранения энергии — это только инфраструктура очень сложного «узора» физических процессов.

Ну а если забыть о философии и на минутку все-таки допустить, что энергия существует всегда и везде, то подобное допущение придется сделать также для импульса, углового момента, электрического заряда и для всех других величин, которые пока что подчиняются строгим законам сохранения. Согласитесь, что такая картина мало чем отличается от представлений древних мыслителей, которые считали, что весь мир состоит из универсальных и неизменных первичных сущностей — огня, воды, земли, воздуха.

Конечно, пока все это — общие рассуждения. Более убедительным было бы указать хотя бы один конкретный пример, когда понятие энергии «не работает» или по крайней мере наталкивается на определенные трудности. Что ж, таким примером может служить теория гравитации Эйнштейна.

Новая теория сравнительно легко пробивает себе дорогу, если она является ответом на экспериментальные открытия. Теорию поддерживает сам факт ее согласия с опытом. Так развивалась, например, в 20-х годах квантовая механика. Хотя ее идеи выглядели чрезвычайно парадоксальными, они объясняли строение атома и предсказывали множество явлений, которые быстро находили подтверждение в опытах. Эксперимент и теория как бы подталкивали друг друга.

Все становится значительно сложнее, когда эксперимент неплохо объясняется уже имеющимися теориями, и новая теория создается главным образом исходя из логических соображений. Тогда основным «оружием» новой теории становится ее концептуальное совершенство — ее красота, как говорят физики. Именно так было создано самое сложное теоретическое построение современной физики — эйнштейновская теория пространства, времени и тяготения, которую из-за того, что она рассматривает физические явления относительно любых, произвольно движущихся систем координат, часто называют общей теорией относительности. По сложности ее превосходит лишь «теория суперобъединения», сама основанная на теории Эйнштейна и включающая ее в себя как частный случай.

Размышления о природе гравитации увлекли Эйнштейна, когда ему было немногим более 25 лет, и не оставляли в течение всех последующих 50 лет его жизни. Он довольно быстро уяснил себе глубокую связь, существующую между гравитацией и пространством. Более того, открытые незадолго до этого Лоренцем формулы для перехода от одной движущейся системы координат, к другой говорили, что пространство нельзя рассматривать отдельно от времени. Три пространственные координаты и время входили в эти формулы так симметрично, что можно было говорить об едином четырехмерном пространстве-времени. Но с каким конкретным свойством пространства-времени следует связать силу тяготения, оставалось неясным.