Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [241]
Еще один аспект сохранения энергии – локальность; это свойство не очень хорошо иллюстрируется метафорой кубиков. Оно означает, что убыль полной энергии в пределах моей комнаты не может компенсироваться появлением того же количества энергии в доме напротив, если между ними нет потока энергии (в виде перенесенных предметов, электромагнитного излучения или еще чего-то подобного). Увеличение или уменьшение полной энергии внутри некоторого объема должно в точности равняться потоку энергии, прошедшему через границы этого объема. Это верно совершенно всегда для малых объемов, а для больших верно до тех пор, пока не возникает сложности с их складыванием из малых. Сложности же возникают при наличии гравитационного поля в рамках общей теории относительности. Во-первых, энергия становится частью более общей конструкции, включающей, кроме того, количество движения, а также компоненты давления и натяжений; требуется внимание к тому факту, что разные наблюдатели поделят эту общую конструкцию на энергию и остальное по-разному. Но главная сложность в том, что заявление о глобальном сохранении энергии требует сравнения между собой отстоящих друг от друга частей мира (насколько больше энергии втекло через одну поверхность, чем вытекло через другую), а для такого сравнения необходимо что-то вроде параллельного переноса из одного места в другое. Но параллельный перенос определяется гравитационным полем, и в результате это поле замешивается в закон сохранения энергии. Приходится учитывать получаемую им или отбираемую у него энергию; однако энергия поля не локализована в одном месте, а распределена всюду, где есть поле. Альтернатива состоит в том, чтобы считать, что при наличии гравитационного поля энергия глобально не сохраняется. Так нравится думать многим космологам, и они не сильно переживают по этому поводу, потому что такое несохранение «из-за трудностей сравнения» не открывает возможность внезапного появления огнедышащих единорогов из ничего. Локальное же сохранение энергии остается универсальным для нашей Вселенной регуляторным принципом.
Приложение В
Элементарные частицы в азартном изложении
На стол колоду, господа! Крапленая колода!
В. Высоцкий
На наших прогулках эпизодически встречаются элементарные частицы. Имеет смысл собрать минимально необходимые подробности в одном месте. Сюда относится как общее понимание, что это за явления, так и наблюдения о том, с какой конкретной «раздачей» на руках мы оказались в этой Вселенной. Сначала несколько самых общих моментов.
1. Элементарные частицы – это сущности, которые по современным представлениям не состоят ни из каких деталей. Это довольно обязывающее свойство, потому что сводит все возможные различия между разными элементарными частицами к числам; эти числа (скажем, массы и заряды) никак больше прокомментировать нельзя, потому что нет места ни для каких «объясняющих» подробностей.
2. Список чисел, определяющих каждую элементарную частицу, закрытый. К нему нельзя добавить что-то еще для того, чтобы различать, например, два электрона. Этому «еще» там просто негде поместиться. В результате все элементарные частицы одного вида неразличимы.
3. Ни одна элементарная частица не является «неуничтожимой». Наоборот, они появляются и исчезают, превращаясь друг в друга, с соблюдением законов сохранения (в том числе законов сохранения энергии и электрического заряда).
4. При этом элементарные частицы – возбуждения соответствующих квантовых полей (говорят еще «кванты» соответствующих полей). Минимальные пояснения к этому таковы: квантовое поле способно «на постоянной основе» обладать энергией лишь в дискретных порциях, и наименьшая такая порция называется его квантом; кванты имеющихся во Вселенной фундаментальных полей и представляют собой все известные элементарные частицы. (Открытие новой элементарной частицы означает открытие нового квантового поля.)
И одно уточнение вдогонку. Произошедшие изменения в понимании природы оставляют место для небольшой путаницы в использовании термина «элементарный». Сначала к элементарным частицам относились электрон, протон и нейтрон; затем добавились мюон и нейтрино. В конце 1940-х гг. экспериментально обнаружили пи-мезоны, а в 1950-х гг. на ускорителях стали массово открывать разнообразные другие короткоживущие частицы. Их тоже называли элементарными, но со временем выяснилось, что они составлены из по-настоящему элементарных – кварков. И не только они, но и казавшиеся элементарными протон и нейтрон. А электрон (как и мюон), наоборот, ни из чего не составлен и не был разжалован из истинно элементарных. В результате выражение «элементарные частицы» может относиться к минимальному набору тех, которые и правда ни из чего другого не сложены, но нередко применяется и шире, охватывая протоны, нейтроны, пи-мезоны и т. д. (Смешению понятий дополнительно способствует тот факт, что протоны, нейтроны и другие частицы, составленные из кварков, нельзя разобрать на отдельные кварки.) В целом ряде ситуаций не называть, скажем, протон элементарной частицей довольно глупо, но, относя его к этой категории в несколько расширительном смысле, мы держим в уме, что он все же состоит из более элементарных. Однако в рамках этого приложения я слежу за тем, чтобы называть элементарными только по-настоящему элементарные частицы. Их-то – в отличие от «как-бы-элементарных» – совсем немного. Все вместе они и составляют
