Постоянное в потоке

Заканчивая чтение книги, многие, возможно, подумают: а не получается ли все же так, что в том древнем споре мудрецов (см. «Почерк природы»), вопреки утверждению автора, будто «все оказались правы», в действительности взяли верх сторонники той точки зрения, что природа — это вечное движение и нет в ней ровно никакого постоянства: уж слишком многочисленны и ярки примеры изменений, происходящих в ней.

Невозможно умалить глубины мышления сторонников этой точки зрения (назовем здесь некоторых из философов): Фалеса, Анаксимандра, Анаксимена, Гераклита Эфесского, Левкиппа, Демокрита. Все же, утверждаем это еще раз, были правы их противники — те, кто говорил о неизменном и стабильном в вечно изменяющемся мире: Анаксагор, Эмпедокл, Эпикур, Лукреций. Живи они в наши дни, они нашли бы особо убедительное подтверждение своей точки зрения в законах сохранения.

Собственно говоря, идея сохранения таится более или менее во многих законах физики. Возьмите первый закон движения Ньютона. Инерция по самому своему существу есть стремление к неизменности, неизменности настоящего положения.

Идея сохранения таится и в третьем законе Ньютона (нужно сказать, что он вообще представляет собой следствие в механике одного из законов сохранения, закона сохранения импульса). Мгновенно создавая противодействующую силу, природа словно печется о вечном равновесии (пусть иногда и динамическом) в своем Великом Царстве. Словно она боится, что неуравновешенная сила что-то вынесет из ее кладовых.

Законы сохранения — очень фундаментальные, очень общие законы физики. Они выражают несотворимость и неуничтожимость материи и ее движения. Но что значит здесь «несотворимость и неуничтожимость»? С естественнонаучной точки зрения это — постоянство некоторых характеризующих материю и ее движение величин при тех или иных взаимодействиях, превращениях, движениях. Постоянство таких атрибутов (неотъемлемых признаков) возводит их в ранг основных величин, а изучение их уточняет физическую картину объективно существующей реальности.

Не сразу удалось узнать известные сегодня неизменные характеристики материи и ее движения. Даже постоянство массы (в пределах справедливых для классической физики) — ныне для любого школьника очевиднейшее свойство — выявилось не «одним прекрасным утром». Долго были разные точки зрения на то, «куда земля девается, когда кол вбивается». Прогресс химии многое прояснил в проблеме сохранения массы. Когда же в нашем веке атомная теория показала, что химические законы всего лишь следствие законов физики, дальнейшее уточнение числа и формулировок законов сохранения стало привилегией физиков.

Исторически первой общей формулировкой принципа сохранения — «сохранения вещества и движения» — была формулировка М. В. Ломоносова.

«Но все встречающиеся в природе изменения, — писал он Леонарду Эйлеру 5 июля 1748 года, — происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимется у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого… Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Аккуратной, чуждой равно расточительству и наживе изображена здесь вездесущая природа: «Что у меня — тем пользуюсь; своим не поступлюсь, добавок не желаю».

Теперь закон сохранения вещества (точнее, массы), впервые высказанный Ломоносовым, объединен с законом сохранения энергии, в открытии которого в 1841 году основная роль принадлежала немецкому врачу Юлиусу Роберту Майеру. В основе названного объединения — соотношение специальной теории относительности E = mc², показывающее, что каждому изменению энергии (Е) тела соответствует вполне определенное изменение его массы (m) и обратно.

Так как постоянный коэффициент здесь (с² — квадрат скорости света) колоссальная величина, то из этого соотношения вытекает, что уже ничтожное изменение массы сопровождается огромным изменением энергии.

С законом сохранения энергии тесно связан закон сохранения количества движения, или импульса. Импульс — это произведение массы на скорость. Подобно скорости, импульс тоже вектор, то есть величина, определяемая не только абсолютным значением, но и направлением. Обе величины характеризуют движение, но закон сохранения импульса есть, а закона сохранения скорости не существует. Это означает, что скорость рангом ниже импульса, что она не фундаментальная величина, а ей место среди других величин, вроде перемещений и т. д.

В школе изучают закон сохранения импульса под названием третьего закона Ньютона, гласящего, что «действие всегда по величине равно, а по направлению противоположно противодействию». Не менее распространена, однако, и другая формулировка: «в отсутствие внешних сил полный импульс замкнутой системы частиц неизменен». Подчиняясь этому закону, импульс ружья при отдаче сразу после выстрела равен и противоположен по знаку импульсу пули; бегущий человек отталкивает ногами Землю назад (стань наша планета на миг по массе сравнима с ним, он вынудил бы ее крутиться наперекор извечному движению) и т. д.

Среди других важнейших законов сохранения — закон сохранения момента импульса (в простом случае тела, вращающегося по окружности, величина момента импульса равна произведению импульса на радиус окружности, по которой вращается тело).

Закон сохранения момента импульса утверждает, что полный момент импульса замкнутой системы остается неизменным. Если вы захотите испытать действие этого закона на себе, сядьте с двумя гирями в руках на винтовой «пианинный» стул. Раскрутитесь и постарайтесь вращаться, не опираясь ни на что. Горизонтально вытянув руки — с гирей в каждой из них, — вы будете вращаться довольно медленно. А потом согните руки, приблизьте их к груди. Скорость вашего вращения резко возрастет.

Фигуристы, выступающие на коньках, акробаты на трапеции, балерины, делающие пируэт, — все они с успехом применяют закон сохранения момента импульса, хотя, может быть, не догадываются об этом.

Среди широкоизвестных законов сохранения — закон сохранения энергии, о котором мы уже говорили. Физика называет и другие законы сохранения, например закон сохранения электрического заряда. Он гласит, что заряд не может ни появиться, ни уничтожиться; одна незаряженная нейтральная частица не в состоянии, например, превратиться в одну заряженную, хотя бы это превращение не противоречило всем остальным законам сохранения.