Поиски продолжаются и доныне. В 1979 году физики Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг получили Нобелевскую премию за объединение электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия в то, что теперь известно как единое электрослабое взаимодействие. Многие физики по-прежнему пытаются объединить электрослабое и сильное ядерное взаимодействие в то, что назвали теорией великого объединения. Достижение такой степени унификации станет великим научным прорывом, на одном уровне с теорией Максвелла. А если каким-то образом, где-то когда-то кому-то из физиков посчастливится включить в теорию великого объединения гравитацию и создать то, что уже сегодня многие называют теорией всего, то это, безусловно, станет святым Граалем физики. Унификация – великая и мощная мечта.
Вот почему во время чтения курса «Электричество и магнетизм» я, описав уравнения Максвелла во всем их великолепии и простоте, проецирую их на стены и потолок лекционного зала и праздную эту важную веху со своими студентами, даря им цветы. Подождите еще немного и вы узнаете об этом больше в главе 15 .
9. Сохранение энергии. Ничто не ново под луною…
Одна из самых популярных демонстраций, которые я показываю студентам вот уже много лет, заключается в том, что я, рискуя собственной жизнью, сую голову прямо под своего рода снаряд для сноса зданий – мини-версию шарового тарана, но такую, которая легко может убить, уверяю вас. Если настоящие тараны, используемые командами по сносу, обычно представляют собой огромную гирю, или сферический груз, весом 1000 килограммов, то я сделал свой из груза весом в 15 килограммов. Стоя в одной части лекционного зала с головой, прижатой к стене, я держу груз в руках прямо у подбородка. Отпускать его следует очень осторожно, чтобы не дать ему ни малейшего толчка, даже самого крошечного. Любой толчок непременно приведет к тому, что я буду травмирован, а то и убит, – так я говорю студентам. Я прошу их не отвлекать меня, не шуметь и даже прекратить на какое-то время дышать, в противном случае, сетую я, это может стать последней лекцией в моей жизни.
Должен признаться, что каждый раз, выполняя эту демонстрацию, я и правда чувствую мощный прилив адреналина, когда тяжелый шар пролетает рядом с моей головой. Я, конечно, совершенно уверен, что моя любимая физика меня спасет, но все равно всегда нервничаю, когда шар со свистом проносится совсем близко от моего подбородка. Инстинктивно я даже стискиваю зубы. И, если честно, всегда зажмуриваюсь! Что же, спросите вы, дает мне силы раз за разом проводить этот эксперимент? Полная и абсолютная уверенность в одной из самых важных концепций всех областей физики – законе сохранения энергии.
Среди самых замечательных особенностей нашего мира можно отметить способность одной формы энергии превращаться в другую, а затем в следующую и следующую, и даже обратно в исходную. Энергия может трансформироваться, но никогда никуда не исчезает и не появляется ниоткуда. По сути, такое преобразование происходит постоянно. Все цивилизации мира, не только развитые, но и самые технологически отсталые, зависят от этого процесса во множестве вариаций, что наиболее очевидно на примере еды. Химическая энергия пищи, в основном содержащаяся в углероде, преобразуется в химическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ), который сохраняет энергию, а наши клетки используют ее для выполнения различных видов работ. То же самое происходит, когда мы зажигаем костер, превращая химическую энергию, хранящуюся в древесине или древесном угле (в процессе соединения углерода с кислородом), в тепло и углекислый газ. Именно это заставляет стрелу, выпущенную из лука, лететь по воздуху, преобразуя потенциальную энергию, увеличивающуюся при натяжении тетивы, в кинетическую, которая и движет стрелу вперед. В пистолете химическая энергия пороха превращается в кинетическую энергию быстро расширяющегося газа, выталкивающего пулю из ствола. А когда вы едете на велосипеде, энергия, толкающая педали, зарождается изначально как химическая энергия вашего завтрака или обеда, которую ваше тело преобразует в другую форму химической энергии (АТФ). Потом ваши мышцы используют ее, превращая некоторую ее часть в механическую энергию, чтобы сокращаться и расслабляться, благодаря чему вы и толкаете педали. Химическая энергия, хранящаяся в аккумуляторе вашего автомобиля, преобразуется в электрическую при повороте ключа зажигания. Часть электрической энергии идет к цилиндрам, где она воспламеняет смесь бензина, высвобождая химическую энергию горящего бензина. Затем эта энергия превращается в тепло, увеличивающее давление газа в цилиндре, который, в свою очередь, толкает поршни. Они вращают коленчатый вал, и трансмиссия направляет энергию в колеса, заставляя их крутиться. Благодаря этому удивительному процессу химическая энергия бензина позволяет нам ехать на автомобиле.
В гибридных автомобилях этот процесс частично происходит в обратном порядке. Часть кинетической энергии автомобиля, генерируемой при нажатии на тормоз, преобразуется в электрическую, которая сохраняется в аккумуляторе и запускает электродвигатель. А в нефтяной печи химическая энергия нефти превращается в тепло, повышая температуру воды в системе отопления, которую насос затем прокачивает через радиаторы. В неоновых лампах кинетическая энергия электрических зарядов, движущихся через неоновую газовую трубку, преобразуется в видимый свет.
Этот список, судя по всему, не имеет конца. В ядерных реакторах ядерная энергия, хранящаяся в ядре урана или плутония, преобразуется в тепло; оно превращает воду в пар, вращающий турбины, которые генерируют электричество. Химическая энергия, хранящаяся в ископаемом топливе – не только в нефти и бензине, но также в угле и природном газе, – преобразуется в тепло и, если говорить об электростанции, в конечном счете в электроэнергию.
Вы можете без труда стать свидетелем чудес трансформации энергии, соорудив электрическую батарейку, которых существует огромное множество – от тех, что установлены в традиционном или гибридном автомобиле, до тех, от которых питаются беспроводная мышь компьютера и мобильный телефон. Хотите верьте, хотите нет, но батарейку можно сделать из картофелины, монетки, оцинкованного гвоздя и двух кусочков медной проволоки (каждая длиной сантиметров пятнадцать; с каждого конца надо соскрести сантиметра полтора изоляции). Воткните гвоздь с одной стороны картофелины почти до конца, сделайте прорезь с другого конца и вставьте в нее монетку. Приложите конец одного куска проволоки к гвоздю (или оберните вокруг его шляпки), а другой кусок проволоки – к монетке, или вставьте его в щель так, чтобы он прикасался к монетке. Теперь прикоснитесь свободными концами проводов к выводам лампочки для новогодней гирлянды. Она должна засветиться. Мои поздравления! На YouTube можно найти демонстрации десятков таких хитроумных приспособлений.
Ясно, что процесс преобразования энергии происходит вокруг нас повсеместно, но в одних случаях он очевиден, а в других нет. Более всего противоречит здравому смыслу то, что мы называем гравитационной потенциальной энергией. Мы обычно не думаем о статических объектах как об имеющих энергию, однако она у них есть, причем порой совсем немалая. Поскольку сила тяжести всегда пытается притянуть объекты к центру Земли, каждый предмет, падающий с некоторой высоты, будет набирать скорость. При этом он теряет гравитационную потенциальную энергию, но приобретает кинетическую – как вы помните, энергия никогда не теряется и не возникает из ничего; это игра с нулевым результатом! Если предмет массой m падает вертикально вниз с высоты h, его потенциальная энергия уменьшается на величину mgh (g – ускорение свободного падения, которое составляет около 9,8 метра в секунду за секунду), а кинетическая возрастает на ту же величину. А если перемещать предмет вверх по вертикали на расстояние h, его гравитационная потенциальная энергия увеличится на величину mgh, и эту энергию должны будете произвести вы (то есть должны будете выполнить эту работу).