Фейнман - 01. Современная наука о природе. Законы механики (1055659), страница 18
Текст из файла (страница 18)
И наконец, теория относительности видоизменяет формулу кинетической энергии, так что название это становится условным, сочетая ее с другим понятием: энергией массы. Любой объект обладает энергией уже потому, что он суп!ествует. Если электрон и позитрон спокойно стоят рядом, ничем не занимаясь (ни тяготением, ии чем иным), а потом сливаются и исчезают, то освобождается определенная порция энергии излучения, и эту порцию можно подсчитать. Все, что для этого нужно,— это знать массу объекта. Неважно, что это такое — два тела исчезли, определенная энергия появилась.
Формулу впервые придумал Эйнштейн: это Е = — тс'. Из наших рассуждений ясно, что закон сохранения энергии незаменим при анализе явления; мы уже показали это на ряде примеров, для которых мы не знали всех формул. Владей мы формулами для всех типов энергии, мы могли бы узнавать, не вдаваясь з детали, сколько процессов происходит в таком-то явлении.
Оттого законы сохранения столь важны. Встает естественный вопрос: какие еще есть в физике законы сохранения. Существуют еще два закона, сходных с законом сохранения энергии. Один называется сохранением импульса !или количества движения). Другой — сохранением момента количества движения. Позже мы подробней познакомимся с ними. В конечном счете мы не понимаем законов сохранения достаточно глуооко. Нам непонятно сохранение энергии. Мы не можем представить себе энергию как некоторое количество неделимых порций.
Вы, вероятно, слышали, что фотоны вылетают порциями и гго энергия их равна постоянной Планка, умноженной па частоту. Это правда, но так как частота света может быть любой, то нет никакого закона, по которому энергия обязана иметь некоторую определенную величину. Это уже не кубики Монтигомо Ястребиного Когтя: любые количества энергии допустимы, по крайней мере в настоящее время. Для нас энергия — это не то, что можно пересчитать, а всего лишьматематическая ве- личина, абстракция,— обстоятельство довольно странное. В квантовой механике выявляется, что сохраняемость энергии тесно увязана с другим важным свойством мира — с независимостью от абсолютного времени.
Мы можем поставить опыт в некоторый момент, а потом еще раэ в другой момент; он будет протекать одинаково. Абсолютно ли верно это утверждение или нет — мы не знаем. Но если мы примем, что оно абсолютно верно, и добавим принципы квантовой механики, то из этого можно вывести принцип сохранения энергии.
Это довольно тонкая и интересная вещь, которую нелегко пояснить. Другие законы сохранения также связаны между собой: сохранение импульса в квантовой меха- пике — с утверждением, что неважно, где происходит опыт, его итог от э~ого не меняется. И подобно тому, как независимость от места связана с сохранением импульса, а независимость от времени — с сохранением энергии, точно так же от поворота наших приборов тоже ничего не должно изменяться; независимость от ориентации в пространстве имеет отяошение к сохранению момента количества движения. Кроме этого, существуют еще три закона сохранения; насколько ныне нам известно, они точные и понять их намного легче, так как по своей природе они блиаки к подсчету кубиков. Первый иэ них — сохранение заряда; он просто означает, что если подсчитать, сколько есть положительных зарядов, и из этого вычесть количество отрицательных, то число это никогда не изменится.
Вы можете иабавиться ог положительных вместе с отрицательными, но не создадите никогда чистого избытка одних над другими. И прочие два закона похожи на этот. Один называют сохранением числа барионов. Имеется некотороеколичество удивительных частиц (примеры: нейтрон и протон), называемых барионами. В любой реакции, где бы в природе она ни происходила, если подсчитать, сколько барионов было в начале процесса (считая анткбарион за — 1 барион), то в конце их число окажется тем же. Другой закон — сохранение числа лептонов.
Группа частиц, называемых лептонами, включает электрон,мюон и нейтрино. Антиэлектрон, т. е. позитрон, считается за — 1 лелтон. Подсчет общего числа лептонов в реакции обнаруживает, что на входе и на выходе реакции это число одинаково, по крайней мере насколько нам сейчас известно. Вот вам шесть законов сохранения: три замысловатых, связанных с пространством и временем, а трн простых, связанных с обычным счетом. К сохракяемостк энергии доступность и полезность энергии не имеет никакого отношения.
В атомах морской воды немало энергии движения, так как температура моря довольно высока, но нет никакой воэможности направить эту энергию в определенное русло, не отобрав ее откуда-нибудь еще. Иначе говоря, хотя нам иавестен тот факт, что энергия сохраняется, но не так-то просто сохранить энергию, пригодную для человека. Законы, управляющие количеством пригодной для человека энергии, называются законами термодинамики и включа1от понятие, называемое энтропией необратимых териоди амичесвих процессов.
Наконец, остановимся на том, откуда мы сегодня можем получать необходимый запас энергии. Знергней нас снабжают Солнце и дожди, уголь, уран и водород. Впрочем, и дожди, и уголь в конце концов без Солнца были бы невозможны. Хотя энергия сохраняется, природа, по всей видимости, этим ничуть не интересуется; она освоболздает из Солнца множество знергии, но только одна двухмиллиардная часть ее падает на Землю. Природа сохраняет энергию, но в действительности о ней не заботится, расточая ее направо и налево. Мы уже получаем знергию из урана, мы можем получать ее и из водорода, но пока зто получение связано со взрывами, с большой опасностью. Если бы мы смогли научиться управлять термоядерными реакциями, то энергия, которую можно получать, тратя по 10 л воды в секунду, равнялась бы всей электроэнергии, производимой сейчас за зто время в Соединенных Штатах.
Шестисот литров речной воды в минуту хватило бы, чтобы снабжать энергией всю страну! Именно физикам придется придумать, как избавить нас от нужды в знергии. И это, бесспорно, достизкнмо. Глава, сэ ВРЕМЯ И РАССТОЯНИЕ ф 1. Движение Время эч 3. 11ороткпе времена 4. Большие времена 5. Единицы и стандарты времени 1ь Большие расстояния 7. Малые расстояния й' 1.
Двтгжеитге В этой главе мы рассмотрим понятия время и расстояние. Мы уже говорили, что физика, как, впрочем, любая другая наука, основы- вч вается на наблюдениях. Можно даже сказать, что развитие физических наук до их современного уровня в огромной степени зависело от фактов, основанных на количественных наблю- вч дениях. Только с помощью количественных наблюдений можно получить количественные соотношения — сердце современной физики. ч Многие считают, что физика берет своа начало с опыта, проведенного Галилеем 350 лет назад, а сам Галилей является первым физиком. До этого времени изучение движения было чисто философским и основывалось на доводах, которые были плодом фантазии. Большинство этих доводов были придуманы Аристотелем и другими греческими философами и рассматривались как «доказанные». Но Галилей был скептиком и поставил следующий опьж: по наклонной плоскости он пускал шар и наблюдал за его движением (фиг.
5.1). Галилей не просто смотрел, как катится шар, а измерял то расстояние, которое прошел шар, и определял время, в течение которого шар проходил это расстояние. Способ измерения расстояний был хорошо известен еще задолго до Галилея, однако точного способа измерения времени, особенно коротких интервалов, не было.
Хотя впоследствии Галилей изобрел более совершенные часы (отнюдь не похожие на современные), но в своих первых опытах для отсчета равных промежутков времени он использовал собственный пульс. Давайте сделаем то же самое. й и г.
о.Е. Шарик катит«к по наклонной плоскости. Будем отсчитывать удары пульса в то время, пока шарик катится вниз: «Один... два... три... четыре... пять... шесть... семь... восемь...». Пусть кто-нибудь отмечает положение шарика на каждый счет. Теперь можно измерить расстояние, которое шарик прошел за один, два, три и т. д. равных интервала времени. Галилей сформулировал результат своих наблюдений следующим обрааом: если отмечать положения шарика через 1, 2, 3, 4, ... единицы времени от начала движения, то окажется, что эти отметки удалены от начального положения пропорционально числам 1, 4, 9, 16, .... Сейчас мы сказали бы, что расстояние пропорционально квадрату времени: а -- Е'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
