Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Объект, подброшенный в воздух с некоторой кинетической энергией, возвращается на землю, не обладая той кинетической энергией, которая была у него сначала. Небольшое количество ее теряется на преодоление сопротивления воздуха. Опять же если упругий объект падает с некоторой данной высоты, то он должен был бы (в случае, если механическая энергия полностью сохраняется) сильно удариться и вернуться точно на свою первоначальную высоту. Однако этого не происходит. Он всегда возвращается на высоту несколько меньшую первоначальной, и если позволить ему падать снова и снова, то с каждым разом высота его отскока будет уменьшаться, пока не исчезнет вообще. Это зависит не только от сопротивления воздуха, которое, конечно, тоже вносит свою лепту, но также и от несовершенной эластичности непосредственно самого тела. Действительно, если бросить вниз глыбу мягкой глины, ее потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую, но в момент, когда глина ударится о землю с «жестким» шлепком, вся кинетическая энергия пропадет без всякого перехода в потенциальную форму. Судя по всему, в таких случаях механическая энергия просто исчезает.

Можно было бы доказывать, что эти потери механической энергии происходят из-за «несовершенства» окружающей среды. Если предположить, что абсолютно гладкая система двигается в абсолютном вакууме или что все объекты абсолютно упругие, то механическая энергия была бы сохранена.

Однако такой спор абсолютно бесполезен, поскольку в истинном законе сохранения дефекты окружающего, реального мира не затрагивают сущность закона. Количество движения, например, сохраняется независимо от трения, сопротивления воздуха, несовершенной эластичности или любого другого отклонения от идеала.

Если мы все еще хотим найти закон сохранения, который вовлекает работу, мы должны иметь в виду, что на каждую потерю механической энергии должно появиться какое-либо увеличение чего-то еще. Такое «кое-что» совсем не трудно найти. Трение — один из наиболее очевидных дефектов окружающей среды — вызывает повышение температуры, то есть нагрев, и, если трение значительно, вызываемое им количество теплоты также значительно. (Температура спичечной головки может быть доведена до точки загорания за одну секунду простым движением по грубой, шершавой поверхности.)

Справедливо и обратное — теплота весьма способна к тому, чтобы ее превратили в механическую энергию. Теплота Солнца поднимает бесчисленные тонны километров водяного пара высоко в воздух, так что вся механическая энергия падения воды (такая, как дождь, водопад или спокойное течение плавной реки) происходит от теплоты, отдаваемой Солнцем.

Более того, уже в XVIII столетии человек преднамеренно преобразовал теплоту в механическую энергию посредством устройства, предназначенного, чтобы изменить мир. Теплота использовалась, чтобы превратить воду в пар в замкнутой камере и использовать этот пар для вращения поршней двигателя и колеса. (Это устройство конечно же называется «паровой двигатель».)

Поэтому кажется ясно, что при разработке истинного закона сохранения мы должны добавить к таким явлениям, как работа, кинетическая и потенциальная энергии, и такое явление, как теплота. Короче говоря, теплоту надо рассматривать как другую форму энергии.

Но если это так, то любое другое явление, которое вызывает повышение температуры, также должно рассматриваться как форма энергии. Электрический ток может нагревать провод, а магнит может вызывать электрический ток, так что и электричество и магнетизм — формы энергии. Свет и звук — также формы энергии и так далее.

Если закон сохранения, который мы выводим, должен охватить работу и все формы энергии (а не только одну механическую энергию), то необходимо показать, что одна форма энергии может быть преобразована в другую форму количественно. Другими словами, в таких энергетических преобразованиях следует рассматривать всю энергию, существующую в процессе; никакая энергия не должна быть полностью потеряна и никакая не создана.

Эта точка зрения была тщательно проверена в 1840-х годах английским пивоваром по имени Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), чьим хобби было изучение физики. Он измерил теплоту, произведенную электрическим током, трением воды об стекло, образованную кинетической энергией вращения лопастей привода водяного колеса в воде, работой, которая потребовалась для сжатия газа, и так далее. При этом он нашел, что некоторое определенное количество одного вида энергии конвертируется в определенное количество другого вида энергии и что если рассматривать энергию во всем множестве ее проявлений, то никакая энергия не создается или теряется. Именно в его честь единицу измерения работы и энергии в системе МКС назвали «джоулем».

В более ограниченном смысле можно сказать, что Джоуль доказал, что некоторое определенное количество работы всегда производит некоторое количество теплоты. Применяемая обычно в Британии единица работы «фут на фунт» равна работе, которая требуется, чтобы поднять один фунт массы на высоту в один фут, преодолевая силу тяжести. Общепринятая британская единица теплоты называется «британская тепловая единица» (обычно сокращаемая до «Btu») и является тем количеством теплоты, которое требуется, чтобы поднять температуру одного фунта воды на 1° Фаренгейта. Джоуль и его преемники решили, что 778 фут-фунтов эквивалентны 1 Btu, и именно это и называется «механическим эквивалентом теплоты».

Гораздо предпочтительнее выражать этот механический эквивалент теплоты в метрической системе единиц измерения. Фут-фунт равен 1,356 джоуля, то есть 778 фут-фунтов равны 1055 джоулям. Кроме того, наиболее распространенная единица количества теплоты в физике — это «калория», которая равна количеству теплоты, которое требуется, чтобы поднять температуру одного грамма воды на Г Цельсия (т. е. по стоградусной шкале)[28]; 1 Btu равен 252 калориям (кал). Поэтому механический эквивалент теплоты Джоуля может быть выражен таким образом: поскольку 1055 джоулей равняются 252 калориям, то 4,18 джоуля = 1 калории.

Как только стало ясным перечисленное выше, дальнейшим естественным ходом было предположить, что закон сохранения механической энергии должен быть преобразован в закон сохранения энергии, то есть включить в себя самый широкий смысл того, что мы понимаем под понятиями «энергия», «работа», «механическая энергия», «теплота» и всеми остальными, которые могли бы быть конвертированы в теплоту. Джоуль видел это, и даже до того, как его эксперименты получили дальнейшее развитие, немецкий физик Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878) экспериментально подтвердил истинность таких предположений. Однако впервые закон сохранения энергии был заявлен научному сообществу в форме достаточно ясной и недвусмысленной в 1847 году немецким физиком и биологом Германом фон Гельмгольцем (1821–1894), и поэтому именно он считается первооткрывателем закона.

Закон сохранения энергии, вероятно, является наиболее фундаментальным из всех обобщений, сделанных учеными-физиками, и таким, от которого им меньше всего хотелось бы отказываться. Мы рады сообщить, что пока что этот закон держится, несмотря на все отклонения реальной Вселенной от идеальных моделей, основанных учеными; он справедлив для всех систем — живых и неживых — и действует как для крошечного мира субатомного царства, так и для космического мира галактик. По крайней мере дважды в прошлом (XX) столетии были обнаружены явления, которые, казалось, нарушали закон сохранения энергии, но физики оба раза оказались в состоянии спасти закон, расширяя интерпретацию понятия «энергия». В 1905 году Альберт Эйнштейн доказал, что сама масса является формой энергии, а в 1931 году австрийский физик Вольфганг Паули (1900–1958) выдвинул концепцию нового вида субатомной частицы — «нейтрино», существование которой смогло объяснить очевидные отклонения от закона сохранения энергии.