Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Кроме того, с точки зрения блок-вселенной в теории относительности мы можем представить время как нечто статичное и неизменное, где прошлое, настоящее и будущее сосуществуют друг с другом как элементы четырехмерного пространства-времени. Однако третий столп физики, термодинамика, утверждает, что идея времени как «дополнительного измерения» не выдерживает критики. Термодинамика объясняет, как системы изменяются во времени; более того, она придает времени направленность, которая не предусмотрена в трехмерном пространстве. Независимо от нашего восприятия времени как текущего в одном направлении – мы помним прошлое, живем в настоящем и предвидим будущее – существует некая стрела времени (подробнее об этом – в главе 6), которая направлена из прошлого в будущее, и это разрушает правильную симметрию блок-вселенной.

Однако мы еще не готовы заниматься следующими двумя столпами физики. Сначала мы должны заполнить чем-то наше пространство-время, заполнить его материей и энергией. Идея Эйнштейна в том, что материя, энергия, пространство и время всегда сопутствуют друг другу. Что это значит, я попробую прояснить в следующей главе.

Глава 4. Энергия и материя

Общая теория относительности получила свое математическое воплощение в том, что известно как уравнение поля Эйнштейна (вообще-то, несколько уравнений, которые можно записать в компактной форме одной строкой). Но в уравнениях всегда две части, которые отделяются друг от друга знаком «=», а форма пространства-времени – это только половина уравнения. Теперь я хочу исследовать вторую часть.

Уравнение Эйнштейна отражает то, как гравитационное поле, или скорее форма пространства-времени, определяется материей и энергией. Часто говорят, что его уравнение поля показывает, как пространство-время искривляется материей и энергией и в то же время как материя и энергия ведут себя в искривленном пространстве.

Дело в том, что, с одной стороны, материя и энергия не могут существовать без чего-то, в чем можно существовать, а с другой – без материи и энергии не было бы никакого пространства-времени. Поэтому давайте рассмотрим, что мы знаем о «наполнении» Вселенной.

Энергия

Энергия – это одно из тех понятий, которые, как нам кажется, мы понимаем на уровне интуиции. Например, если мы голодны, устали или плохо себя чувствуем, мы говорим, что нам «не хватает энергии». Наоборот, если мы в хорошей форме и хорошо себя чувствуем, нам «хватает энергии», чтобы пойти в спортзал. Иногда этот термин используется в бытовом смысле в выражениях типа «в комнате ощущалась позитивная энергия» или «от него исходит отрицательная энергия». В физике понятие энергии используется в смысле способности выполнить работу. Таким образом, чем больше энергии, тем больше можно сделать – перенести материю с места на место, нагреть ее или просто накопить для дальнейшего использования. Понятие энергии широко используется в физике уже пару веков, с тех самых пор, как оно оказалось полезнее, чем более «ощутимое» на первый взгляд понятие силы – ведь мы можем почувствовать силу, но не всегда непосредственно ощущаем энергию, даже если она принимает форму тепла или света.

Тем не менее определение энергии как способности совершать работу не объединяет ее с понятием силы, поскольку, когда в физике используется термин «работа», обычно имеется в виду способность сдвинуть тело, преодолевая некую силу сопротивления. Например, мне нужна энергия, чтобы передвинуть тяжелый предмет мебели или чтобы поднять что-то над головой, преодолевая силу притяжения. Точно так же батарейке требуется энергия, чтобы «протолкнуть» электрический ток по цепи, преодолевая сопротивление материала, а тепловая энергия пара порождает давление, действующее на силовые турбины, которые преобразуют эту энергию в электричество. Последнюю можно использовать для механической работы или снова преобразовать ее в энергию света или тепла.

Энергия существует во многих ипостасях: кинетическая энергия движущегося тела; потенциальная энергия тела, находящегося в гравитационном поле; тепловая энергия горячего тела благодаря движению атомов внутри него. Но, хотя все это верно, мы еще не добрались до самой сути понятия энергии.

Давайте начнем с закона сохранения энергии: общее количество энергии во Вселенной неизменно. Он выводится, через теорему Нётер, из более фундаментальной идеи временной симметрии, гласящей, что все законы физики являются «инвариантами преобразования времени», откуда следует, что общая энергия физического процесса сохраняется во времени. Эта идея позволила предсказать существование новых элементарных частиц. Сохранение энергии также доказывает невозможность создания вечного двигателя, поскольку энергию нельзя постоянно получать из ничего.