Книга Страх физики. Сферический конь в вакууме - Лоуренс Краусс

Теперь нарисуйте рамку вокруг автомобиля и стены. В этой новой системе никакие внешние силы уже не действуют. Единственное, что действует на автомобиль, это стена, и единственное, что действует на стену, это автомобиль. Что происходит с этой точки зрения, когда автомобиль врезается в стену? В отсутствие внешних сил полный импульс системы должен сохраняться, то есть оставаться постоянным.

Изначально автомобиль двигался и имел некоторый импульс, а стена находилась в состоянии покоя, и ее импульс был равен нулю. После аварии и автомобиль и стена покоятся. Куда делся импульс? Факт, что ситуация выглядит так, будто импульс бесследно исчез, говорит нам о том, что в системе до сих пор чего-то не хватает, а именно стена и автомобиль не являются изолированной системой. Стена стоит на Земле. Понятно, что импульс может сохраниться в этом столкновении, только если сама Земля примет на себя импульс, которым первоначально обладал автомобиль. И действительно, настоящая изолированная система состоит из автомобиля, стены и Земли. Поскольку Земля обладает несравнимо большей массой, чем автомобиль, ей не нужно двигаться с заметной скоростью, чтобы поглотить его импульс, тем не менее Земля пусть и на ничтожную величину, но изменит скорость своего движения. Так что в следующий раз, когда кто-то скажет вам, что он сдвинул Землю, будьте уверены: он на самом деле это сделал!

* * *

Поиск симметрии является мощным движителем физики. Действительно, все скрытые реальности, о которых пойдет речь в последней главе, связаны с различными симметриями Вселенной. Те симметрии, которые я уже описал, относящиеся к сохранению энергии и импульса, называются пространственно-временными симметриями по той очевидной причине, что они отражают неизменность физических законов относительно пространства и времени и тем самым отличаются от прочих симметрии. Пространственно-временные симметрии неразрывно связаны со специальной теорией относительности, которая, объединяя пространство и время, связывает их в единый пространственно-временной континуум, что приводит к появлению новых симметрии, отсутствующих при рассмотрении пространства и времени по отдельности. Одной из таких новых пространственно-временных симметрии является инвариантность скорости света.

Инвариантность законов физики относительно перехода из одной движущейся системы в другую в теории относительности достигается путем установления новых отношений между пространством и временем. Новая, четырехмерная, пространственно-временная «длина» остается неизменной при переходе от равномерно движущейся системы к неподвижной, так же как обычная трехмерная длина остается неизменной при повороте. Эта новая симметрия возможна только в том случае, если пространство и время связаны друг с другом. Таким образом, вместо чистого сдвига в пространстве и чистого сдвига во времени, инвариантность которых отвечает за сохранение импульса и сохранение энергии, мы должны ввести что-то новое, сохраняющее инвариантность при сдвиге в четырехмерном пространстве-времени.

Таким образом, в теории относительности сохранение энергии и сохранение импульса оказываются не отдельными независимыми законами, а соединяются в новый единый закон сохранения энергии-импульса. Сохранение этой новой величины, требующей переопределения прежних понятий энергии и импульса, использовавшихся в теории Ньютона, является следствием новой симметрии, в которой пространство и время связаны друг с другом. В этом смысле специальная теория относительности сообщает нам нечто новое: пространство-время таково, что мы не можем обеспечить сохранение энергии без сохранения импульса, и наоборот.

Существует еще одна пространственно-временная симметрия, о которой я пока упомянул только вскользь. Она связана с симметрией, приводящей к сохранению энергии-импульса в специальной теории относительности, но гораздо лучше знакома нам, поскольку проявляется и в трехмерном пространстве. Это симметрия относительно вращения.

Я уже описывал ситуацию, в которой различные наблюдатели видят различную длину проекции линейки, в зависимости от того, как эта линейка повернута относительно экрана, но при этом длина самой линейки остается неизменной. Независимость физических законов от того, в какую сторону повернута лаборатория, является проявлением этой важнейшей симметрии природы. Мы не ожидаем, например, что природа предпочитает какое-то одно направление другим. Все направления должны быть равноправны в отношении основных законов природы.

Тот факт, что физические законы инвариантны относительно поворотов, означает, что существует какая-то сохраняющаяся величина, связанная с этой симметрией. Сохранение импульса связано с инвариантностью законов природы относительно сдвига в пространстве, в то время как наша новая величина связана с инвариантностью законов природы относительно поворота на произвольный угол. Эта величина называется моментом импульса, или, для краткости, просто моментом.

Как и сохранение импульса, сохранение момента играет важную роль во всех явлениях от субатомных до космологических масштабов. В любой изолированной системе момент импульса должен сохраняться. Если в описании любого процесса, связанного с сохранением импульса, заменить расстояние на угол, а скорость на угловую скорость, мы получим описание для процесса, связанного с сохранением момента. Это прекрасный пример творческого плагиата.

Еще один пример. Когда один вагон сталкивается с другим, находящимся в состоянии покоя, и вагоны сцепляются вместе, так что дальше оба вагона движутся как единое целое, они движутся медленнее, чем первый вагон до столкновения. Это классическое следствие сохранения импульса. Суммарный импульс двух сцепленных вагонов должен быть таким же, как и до столкновения. Поскольку совокупная масса сцепки больше, чем масса первого вагона, который двигался, сцепка из двух вагонов должна двигаться медленнее, чем первоначально двигался один вагон.

А теперь рассмотрим фигуристку, вращающуюся вокруг вертикальной оси с прижатыми к телу руками. Когда она расправляет руки, ее вращение замедляется, как по мановению волшебной палочки. Этот пример демонстрирует следствие сохранения момента импульса, так же как предыдущий пример демонстрировал следствие сохранения импульса. Продолжая аналогию, можно сказать, что тело большего радиуса ведет себя в отношении вращения, как тело с большей массой — в отношении движения. Расправляя руки, фигуристка как бы увеличивает радиус своего тела. И подобно тому, как два сцепленных вагона начинают двигаться медленнее, чем до столкновения двигался один, так и фигуристка, увеличивая размах рук, начинает вращаться медленнее, чем она вращалась, прижав руки к телу. И наоборот, начав вращение с раскинутыми в стороны руками, фигуристка может ускорить вращение, прижав руки к телу. Так закон сохранения момента импульса помогает фигуристам завоевывать олимпийские медали.

В природе есть и другие сохраняющиеся величины, законы сохранения которых возникают из симметрии, отличных от пространственно-временных. К таким величинам относится, например, электрический заряд. Я вернусь к этому позже. Сейчас же попробуем разобраться с еще одним странным аспектом инвариантности законов природы относительно поворота. Он имеет отношение к одной особенности инвариантности вращения, которая проявляется не всегда. Например, несмотря на то что основные законы движения инвариантны относительно поворота, то есть не существует предпочтительного направления, в котором бы законы выполнялись как-то иначе, чем в остальных, мир относительно поворота не инвариантен. Если бы он был инвариантен, мы не смогли бы дойти даже до продуктового магазина, потому что все направления были бы для нас одинаковыми. Но «лево» выглядит иначе, чем «право», «север» отличается от «юга», «верх» от «низа».