В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

У этого закона есть много других подтверждений. На нем основаны все вычисления движений частиц по законам ньютоновской механики, и хотя в некоторых случаях наблюдаются отклонения от ее предсказаний, они всегда объясняются хорошо известными причинами. Расчеты квантовой механики тоже базируются на предположении о справедливости закона, а они неизменно с высокой точностью соответствуют наблюдениям. Для сомнений в том, что энергия сохраняется, и притом сохраняется в точности, места не остается.

Но как ни огромна важность закона сохранения энергии в техническом и экономическом отношении, как ни универсальна его роль в решении физических задач, в структуре любого учебника физики, на деле он еще важнее, чем кажется. На нем зиждется «причинность», с виду неопровержимое утверждение, что каждое событие обусловлено событием предыдущим. Не будь причинности, мир сделался бы непредсказуемым. Вселенная превратилась бы в хаотическую свалку не связанных друг с другом происшествий. Причинность дает нам шанс на понимание природы: от каждой причины мы можем проследить цепь ее следствий, для каждого события – восстановить его причину. Причинность позволяет найти в мире порядок и систематическое поведение, управляемое законами природы, и, следовательно, именно из нее рождаются воплощенные в науке формы познания. Сохранение энергии играет в причинности центральную роль, накладывая на возможности осуществления событий мощные ограничения: в любом событии энергия должна сохраняться. Требование сохранения энергии можно сравнить с суровым, недремлющим и неподкупным полицейским надзором, запрещающим малейшее отклонение от закона, который ограничивает содержание энергии в мире единым, раз навсегда установленным и неизменным в космических масштабах значением. Если бы энергия не сохранялась, ограничения на возможные действия, вызванные какой-либо первопричиной, были бы менее строгими, а это могло бы привести к нарушению причинности. Да, существуют и другие ограничения, но понятие энергии настолько важно для поведения любого объекта, настолько универсально, что сохранение этой величины имеет первостепенное значение. Как я уже отмечал в главе 1, закон сохранения энергии – царь всех «внутренних» законов, основной первозакон природы.

* * *

Так почему же сохраняется энергия? Каково происхождение этого наивысшего закона? Вот тут-то и появляется Эмми Нётер, и освещает голую пустоту, о которой я призвал вас задуматься, сиянием своей великолепной теоремы. Центральный момент построенного Нётер доказательства происхождения сохранения какой-либо величины из связанной с этой величиной симметрии заключается в том, что в конкретном случае сохранения энергии, на котором мы сейчас и сосредоточились, оно проистекает из однородности времени. Эта однородность и создает симметрию, позволяя тем самым применить теорему Нётер.

Что же эта однородность означает на практике? На первый взгляд однородность времени значит, что, независимо от того, выполните вы один и тот же эксперимент в понедельник, четверг или в любой другой день, вы получите один и тот же результат. Другими словами, период колебаний маятника или высота, которой достигнет подброшенный мяч, будут одними и теми же, если, конечно, все остальные условия проведения эксперимента не изменятся. Чтобы выразить обусловленную однородностью времени независимость законов природы от момента, в который они применяются, мы называем эти законы «инвариантными по времени». На практике такая инвариантность означает, что если ваше уравнение описывает некоторый процесс в определенный момент времени, то же самое уравнение будет описывать этот процесс и в любой другой момент. В общем, законы природы не изменяются с течением времени. Следствия, вытекающие из этих законов, измениться могут – планета может оказаться на другой орбите, вы можете подбросить мяч сильнее, чем собирались, – но сами законы остаются инвариантными.