Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Глава третья

Энергия

Универсализация бухгалтерии

Энергия — это вечный восторг.

Ни пульсация биосферы, возникшая из неорганической Земли, ни молекулярная активность, поддерживающая и расширяющая ее сегодня, не могли бы существовать без притока энергии от Солнца. Но что это за вещь, которую мы называем энергией? Это слово может сорваться с губ каждого, а ученый может увидеть в нем то, что связывает Вселенную в постижимую и живую целостность; но что это такое на самом деле?

Поэты, в своей неподражаемой манере, создали концепцию энергии задолго до того, как она попела в поле зрения ученых. Так сэр Филип Сидни, в своей, написанной в 1581 г., Защите поэзии привлек внимание к «тому, что есть мощь или Energie (как называли ее греки) писателя». Он имел в виду скорее энергичность выражения, чем характеристику движения пули, вылетевшей из мушкета, которая впоследствии убила его. Греки действительно называли это, что переводится буквально как «работа», и мы можем уловить этимологический путь, приведший к понятию литературной энергичности. В наши дни широкая публика приняла такое понимание энергии близко к сердцу и уверила себя, будто точно знает, что это такое, находит это ценным, чувствует существенный вклад этого в современный мир и страшится перспективы утраты этого.

Энергия все еще является объектом литературного дискурса, но она получила новую, богатую и точно очерченную жизнь в науке. Так было не всегда. Научное использование этого термина может быть прослежено вспять до 1807 г., когда Томас Юнг (1773-1829), занимавший должность профессора натурфилософии в такой твердыне науки, какой было Королевское общество Великобритании, а позднее, в замечательно универсальном духе времени, внесший вклад в расшифровку надписи на розеттском камне, конфисковал этот термин для науки, когда написал, что «термин энергия может быть с великим удобством применен для обозначения произведения массы или веса тела на квадрат численного выражения его скорости». Как и многие пионерские сообщения, заявление Юнга о «великом удобстве» оказалось полупропечённым, и нам придется приложить некую работу, чтобы завершить его выпечку. Проделав ее, мы придем к пониманию современной интерпретации энергии и увидим значение и важность ее сохранения.

Чтобы уловить суть природы энергии, нам необходимо понять две очень важные вещи, касающиеся событий и процессов в мире. Одна касается характеристик движения тел в пространстве; другая — природы теплоты. Описание движения в пространстве было в основном завершено к концу семнадцатого столетия. Потребовалось на удивление долгое время, чтобы сразиться с природой тепла и в конце концов одержать победу. Этой цели не удавалось достигнуть до середины девятнадцатого века. Как только движение и тепло были поняты, ученые успешно расправились и с природой событий. Или так они в то время думали.

Греки размышляли о движении тел, хотя и без всякой пользы, и две тысячи лет держали мир в заблуждении: их стиль вопрошания из кресла гораздо лучше подходил для математики и этики, чем для физики. Так, Аристотель (384-322 до н.э.) умозаключил, что стрела удерживается в полете действием воздушных вихрей, создаваемых ею, и поэтому сделал вывод, что в вакууме стрела должна быстро остановиться. Как это часто бывает, наука проясняет вопрос, превращая общепринятое мнение в противоположное, и мы теперь знаем, что верно в точности обратное: сопротивление воздуха замедляет движение стрелы, а не толкает ее вперед. Свидетельств о необходимости поддерживающей силы в те тяжкие времена было множество, ибо рогатому скоту приходилось напрягаться, чтобы удерживать в движении скрипучие деревянные повозки. Абсурдно было бы думать обратное, ведь тогда селянам пришлось бы запрягать рогатый скот позади движущейся телеги, чтобы остановить ее естественное движение. Изобретательный ум Аристотеля увидел в воздухе вихри, толкающие стрелу вперед и тем самым спасающие его теорию.

Аристотель имел и более общие иллюзии относительно причины событий и движения объектов. Как феноменологические рассуждения, его иллюзии были вполне осмысленными, и он заслуживает восхищения за непрестанный поиск объяснений и выпытывание у Природы ответов. Однако, помимо абсолютной ложности, его мнения были лишены того, что мы сегодня называем объяснительной силой, и совершенно не поддавались переложению на язык цифр. Например, он представлял себе ряд концентрических сфер со сферической Землей в центре, окруженной последовательно сферой воды, сферой воздуха и сферой огня, а все это в целом заключено в хрустальные сферы небес. В его модели вещество искало свое природное место, так, первоначально подброшенные кверху земные объекты падали на Землю, а языки пламени рвались наверх, стремясь к своему природному обиталищу. Легко отыскать дыры в этой модели с нашей современной точки зрения, но она владела умами людей на протяжении двух тысячелетий, возможно, потому, что люди находились во власти традиции, требовавшей учиться у авторитетов, не полагаясь на собственные наблюдения, или, может быть, потому, что в упражнениях своей любознательности им недоставало мужества, необходимого для того, чтобы противопоставить наблюдения авторитету.

Главным вкладом Галилея в эту конкретную историю было то, что он сбросил с глаз повязку авторитетных мнений и, с открытыми для наблюдений глазами, продемонстрировал ложность аристотелевой версии событий. Галилей постулировал, что если тело не подвергается действию силы, то оно сохраняет состояние своего движения. Он пришел к этому заключению, наблюдая скатывание шара по наклонной плоскости и последующее вкатывание на противоположную плоскость, и заметив, что, каков бы ни был угол наклона второй плоскости, шар подымается на одну и ту же высоту. Он заключил, что, если бы вторая плоскость была горизонтальной, шар катился бы вечно, поскольку никогда не достиг бы первоначальной высоты. Введение наклонной плоскости было само по себе гениальным приемом, поскольку оно замедлило процесс падения тела до такой степени, что его стало возможно изучать количественно и с большой точностью, и таким образом представление открыло путь наблюдению.

Это заключение Галилея стало поворотным пунктом в науке, поскольку оно подчеркнуло силу абстракции и идеализации, о которых я упомянул в Прологе, причем последняя дала возможность пренебречь побочными факторами, затемняющими суть эксперимента. Конечно, Галилей никогда явно не демонстрировал, что шар будет вечно катиться и катиться, и в любом эксперименте этого рода реальный шар на деле рано или поздно остановится, очевидно и несомненно следуя Аристотелю. Однако Галилей понял, что бывают существенные компоненты поведения с одной стороны и побочные влияния с другой. Последние включают трение и сопротивление воздуха: уменьшая их (например, полируя шар и поверхности плоскостей), он мог приблизиться к идеальной ситуации и выявить суть поведения шара. В мире аристотелевского опыта, где рогатый скот тяжко топает по грязи, таща тяжелые повозки, побочные влияния полностью затопили суть поведения повозки.

Факел Галилея перешел к Ньютону. В соответствии со старым календарем Исаак Ньютон[11] (1642-1727) родился в год смерти Галилея (рис. 3.1), так что романтически настроенные любители признаков реинкарнации могут усмотреть здесь переселение души. В отличие от Галилея, Ньютон по всем описаниям был весьма сварливым и вздорным человеком, но он также был одним из величайших ученых. Почти в одиночку он привел математику на службу физике и таким образом открыл дорогу для современной количественной физической науки. Он сделал больше, он изобрел математику, которая была ему нужна для осуществления его программы, и его Principia[12], опубликованные в 1687 г., являются памятником мощи человеческого интеллекта, приложенного к решению проблемы рационализации наблюдений.

Рис. 3.1. Ньютон и современная физика родились в этой комнате утром в день Рождества 1642 г. Мебель не является подлинной.

Пять аксиом Эвклида для формулирования геометрии, которую мы исследуем в главе 9, полностью задают структуру пространства, и с их помощью мы узнаем, где мы находимся. Три закона Ньютона полностью задают движение в этом пространстве, и с их помощью мы узнаем, куда мы направляемся. В немного упрощенном виде они выглядят так:

1. Тело продолжает равномерное движение по прямой линии, если оно не подвергается действию силы.

2. Ускорение тела пропорционально приложенной силе.

3. Каждому действию всегда противостоит равное противодействие.