В Ирхин - Уставы небес, 16 глав о науке и вере

• Название: Уставы небес, 16 глав о науке и вере
• Автор: В Ирхин
• Жанр: Философия

---

Один день жизни обладающего кипучей энергией лучше столетнего существования ленивого и лишенного энергии человека.

Подобно хорошо тренированной лошади, тронутой кнутом, будьте энергичным и одушевленным. С помощью веры, добродетели и энергии, самоуглубления и изучения дхаммы вы, вдумчивые, исполненные знания и безупречные в поведении, освободитесь от этого великого зла (Дхаммапада, 112, 144).

Понятие энергии является одним из самых важных в науке и имеет очень большую смысловую нагрузку. Оно многократно обобщалось даже в истории конкретной естественной науки - физики. Закон сохранения энергии обычно формулируется как постоянство энергии в замкнутой системе. Это утверждение в настоящее время считается одним из самых надежно установленных законов природы, справедливым как в классической, так и в квантовой физике, то есть как для микрообъектов, так и для макрообъектов.

Закон сохранения энергии исторически возник в механике. Уже Галилей применял его, но скорее интуитивно... Он указывал, что достигнутая при падении скорость тела позволяет ему подняться на первоначальную высоту, но не выше. Гюйгенс обобщил это положение для центра тяжести системы падающих тел. Лейбниц придал этому принципу в 1695 году такую форму: произведение силы на путь дает увеличение "живой силы" (vis vita). Ньютон не придавал этому понятию особого значения. Напротив, Иоганн Бернулли (1667-1748) часто говорит о сохранении живых сил... и подчеркивает, что при исчезновении живой силы не теряется способность работы, но она только переходит в другую форму... К 1800 году было уже твердо установлено, что в системе материальных точек, между которыми действуют центральные силы, живая сила зависит только от конфигурации и от некоторой функции сил, определяемой этой конфигурацией. Термин "энергия" для живой силы применил в 1807 г. Томас Юнг, а понятие "работа" - в 1826 г. Жан Виктор Понселе (М. фон Лауэ, История физики, М., ГИТТЛ, 1956, с. 98).

Тем не менее, если бы применимость закона сохранения энергии ограничивалась механикой, он имел бы статус важной и красивой, но вполне частной теоремы, вряд ли заслуживая большего внимания, чем, скажем, другой закон сохранения - момента количества движения. Уникальность закона сохранения энергии в естествознании связана с тем, что он количественно формулирует одну из наиболее древних и глубоких натурфилософских идей - идею взаимосвязи всех явлений в природе.

Суть дела состоит в следующем. В механике энергия сохраняется только в специальном случае так называемых консервативных сил. Если же в системе важны процессы трения, имеется сопротивление воздуха или жидкости, происходят неупругие столкновения с изменением внутренней структуры сталкивающихся тел и т.д., и механическая энергия не сохраняется. Однако, оказывается, при этом можно добавить некоторую другую форму энергии тепловую - так, что сумма механической и тепловой энергии по-прежнему будет сохраняться. Если важны электромагнитные процессы (например, излучение света или радиоволн), сумма механической и тепловой энергии сохраняться не будет. При этом будет сохраняться сумма механической, тепловой и электромагнитной энергии. Если в системе происходят химические реакции, необходимо учесть еще один специфический вклад в энергию - внутреннюю энергию участвующих в реакции молекул, и т. д. Итак, всегда можно добавить нечто к уже известным формам энергии ("живая сила", то есть кинетическая энергия + потенциальная энергия + тепловая энергия + электромагнитная энергия +.....) таким образом, что сумма оказывается неизменной в ходе исследуемого процесса. Собственно говоря, именно закон сохранения и используется для определения новых форм энергии.

Энергия имеет множество разных форм и для каждой есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электроэнергия, химическая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы. Когда мы объединим формулы для вклада каждой из них, то их сумма не будет меняться, если не считать убыли энергии и ее притока... Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеются формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые, мы получаем... одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов (Фейнмановские лекции по физике, вып.1, М., Мир, 1977, с.74).

Такая ситуация характерна для наиболее фундаментальных законов природы - законов сохранения.

Отыскивание законов физики - это вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. У нас огромное множество кубиков, и с каждым днем их становится все больше. Многие валяются в стороне и как будто бы не подходят к остальным. Откуда мы знаем, что все они из одного набора? Откуда мы знаем, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это нас несколько беспокоит. Но то, что у многих кубиков есть нечто общее, вселяет надежду. На всех нарисовано голубое небо, все сделаны из дерева одного сорта. Все физические законы подчинены одним и тем же законам сохранения (Р. Фейнман, Характер физических законов).

Исторически осознание закона сохранения энергии в столь общей форме происходило очень трудно. Безусловно, не случайным является то обстоятельство, что никто из "авторов" закона сохранения энергии не был профессиональным физиком: Юлиус Роберт Майер (1814-1878) был врачом, Джемс Прескотт Джоуль (1818-1889) - владельцем пивоваренного завода и ученым-любителем, Герман Гельмгольц (1821-1894), внесший большой вклад в ряд разделов физики, механики и математики, все-таки прежде всего был физиологом. Майер пришел к этому закону (1841) исходя из чисто медицинских наблюдений (над изменением цвета крови у людей в тропиках):

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).