Страница 94 из 126
Производя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что "кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию". Он сделал отсюда вывод, что "температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном отношении с разницей в цвете обоих видов крови, т.е. артериальной и венозной... Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме" (П.С. Кудрявцев, Курс истории физики, М., Просвещение, 1982, с. 201).
В истории западной науки после Ньютона случай открытия закона физики исходя из наблюдения над человеческим организмом является беспрецедентным. Несмотря на то, что Майер сформулировал свои результаты во вполне конструктивной для физиков того времени форме (в частности, он первым определил из измерений теплоемкости газов механический эквивалент теплоты), ему так и не удалось опубликовать свои результаты в физических журналах. Они были обнародованы в немецком фармакологическом журнале и в брошюре, изданной Майером за свой счет. Последующая жизнь Майера была очень тяжелой (постоянная травля со стороны "научного сообщества", заключение в сумасшедший дом, попытка самоубийства, после которой он остался на всю жизнь хромым). Джоуль выполнил впоследствии (независимо от работ Майера) систематические экспериментальные исследования, основываясь на открытом им явлении нагревания проводников при пропускании электрического тока. Наконец, Гельмгольц дал наиболее детальный и систематический вывод закона сохранения энергии, рассмотрев, в частности, статические гравитационные, электрические и магнитные поля. Однако даже его работа, написанная вполне традиционно для физики и математики середины XIX в., была отвергнута физическими журналами и вышла в 1847 г. отдельной брошюрой. Мы останавливаемся на этих подробностях, чтобы подчеркнуть, что не только неуместное "философствование" (в духе, скажем, средневековой инквизиции или "марксистских" идеологов советского периода), но и принципиальное отрицание любых широких обобщений в науке может быть тормозом в ее развитии и даже приводить к личным трагедиям (жизнь Майера). Впрочем, к концу XIX века закон сохранения энергии был уже общепризнанным, получив статус первого начала термодинамики. Открытие энергии электромагнитного поля и эквивалентности масса-энергия в теории относительности Эйнштейна окончательно укрепили физиков в мысли о фундаментальном характере этого закона.
Великая научная идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих противников, редко бывает, что "Савл становится Павлом". В действительности дело происходит так, что оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение с самого начала осваивается с новой идеей (М. Планк, Избранные труды, М., Наука, 1975, с. 594).
В то же время, за последнее столетие неоднократно предпринимались попытки отказаться от закона сохранения энергии или, по крайней мере, ослабить его формулировку (например, считая, что он выполняется лишь в среднем - предположение Бора, Крамерса и Слэтера, предшествующее окончательной формулировке квантовой механики). Каждый раз, однако, такие попытки не выдерживали экспериментальной проверки. Так, теория Бора-Крамерса-Слэтера оказалась опровергнутой опытами немецкого физика В. Боте, использовавшего специально разработанную им технику - метод совпадений - и подтвердившего сохранение энергии и импульса в индивидуальных микропроцессах. Впоследствии Н. Бор вернулся к гипотезе о несохранении энергии в микромире в связи с трудностями с объяснением закономерностей так называемого бета-распада (одного из типов радиоактивности), однако высказанная В. Паули гипотеза о существовании новой элементарной частицы нейтрино - спасла закон сохранения энергии. Детальная теория бета-распада, разработанная на основании идеи Паули крупнейшим итальянским физиком Э. Ферми и предполагающая строгое сохранение энергии в этом процессе, блестяще подтверждена всей совокупностью имеющихся экспериментальных данных. Таким образом, в настоящее время закон сохранения энергии рассматривается как один из самых фундаментальных законов физики. Материалы поучительной дискуссии, состоявшейся в 30-е годы по этому вопросу между выдающимися советскими физиками-теоретиками М.П. Бронштейном и С.П. Шубиным (оба погибли в годы сталинского террора), содержатся в сб.: С.П. Шубин, Избранные труды по теоретической физике. Очерк жизни. Воспоминания. Статьи (Свердловск, Наука, 1991).
При распространении закона сохранения энергии на Вселенную как целое возникают серьезные методологические трудности:
Закон сохранения энергии может иметь только одни смысл, а именно: существует некоторое свойство, присущее всем возможностям; но по детерминистской гипотезе существует лишь единственная возможность, а тогда закон теряет свой смысл. Напротив, при допущении индетерминистской гипотезы он имел бы смысл и тогда, когда бы мы пожелали придать ему абсолютное значение: он представился бы ограничением, наложенным на свободу. Но слово "свобода" напоминает мне, что я выхожу за пределы физико-математической области. Поэтому... закон Майера является формой достаточно гибкой, чтобы можно было вложить в нее почти все, что угодно (А.Пуанкаре, О науке, с.88).
Во избежание недоразумений подчеркнем, что абстрактное понятие полной энергии не имеет столь большой практической ценности, как это могло бы показаться на первый взгляд. Например, в тепловых процессах может быть использована лишь так называемая свободная энергия (полной утилизации тепловой энергии препятствует второе начало термодинамики, см. ниже главу 15). Знаменитая формула Эйнштейна E mc[2 ], устанавливающая эквивалентность массы и полной энергии, лишь соблазняет колоссальными недоступными запасами энергии, которые содержатся даже в малых количествах любого вещества. Использование большей части этой "энергии покоя" невозможно из-за другого закона сохранения - закона сохранения барионного заряда: если не рассматривать процессы с участием антивещества, то общее количество ядерных частиц - протонов и нейтронов - измениться не может. В процессах деления тяжелых ядер или синтеза легких высвобождается лишь энергия связи протонов и нейтронов друг с другом. Скажем, в цикле реакций синтеза ядра гелия из четырех ядер водорода, который является основным источником звездной энергии, в энергию превращается около 0,7% массы; впрочем, и это энерговыделение несопоставимо превосходит энергетический эффект химических реакций, например, горения. Полное превращение энергии массы (энергии покоя) в другие формы энергии (например, в энергию излучения) возможно лишь в двух ситуациях: при аннигиляции вещества и антивещества и при падении вещества в черную дыру. Предполагается, что именно процессы последнего типа ответственны за чудовищное энерговыделение ядер "активных" галактик и, возможно, квазаров (см., например, популярную книгу И.С. Шкловского, Проблемы современной астрофизики, М., Наука, 1988).
В современной физике законы сохранения связываются с некоторыми симметриями (свойствами инвариантности). Основа для такой связи устанавливается теоремой Э. Нетер классической механики и ее квантовым аналогом, принадлежащим Ю. Вигнеру (см. его относительно популярно написанную книгу "Этюды о симметрии"). Так, закон сохранения импульса оказывается следствием однородности пространства, закон сохранения момента импульса (момента количества движения) - изотропности пространства, а закон сохранения энергии - следствием однородности времени. В общей теории относительности Эйнштейна, где пространство и время неоднородны и искривлены (это искривление и есть гравитация, см. главу 11), ситуация с законами сохранения оказывается чрезвычайно сложной. В определенном смысле они обращаются в тождество, то есть сводятся к равенству 0 0 (говоря более формально, речь идет о так называемых тождествах Бианки тензорного анализа). В конечном счете, в общей теории относительности не удается ввести плотность энергии и импульса гравитационного поля в том же смысле, как, скажем, для электромагнитного поля (последнее характеризуется тензором энергии-импульса, а гравитационное поле - псевдотензором). Это послужило основой для попыток пересмотреть общую теорию относительности, заменив ее "полевой теорией гравитации" (в работах А.А. Логунова и его сотрудников); последующая дискуссия показала, однако, что для такого пересмотра все же нет ни теоретических, ни экспериментальных оснований. Мы не имеем возможности обсуждать здесь эти весьма специальные вопросы; важно лишь подчеркнуть, что формулировка закона сохранения энергии в присутствии гравитационного поля оказывается весьма нетривиальной задачей.