Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Среди законов сохранения, которые не связаны с движением, – сохранение электрического заряда. Заряд не может исчезнуть или возникнуть без компенсирующих изменений, восстанавливающих баланс[303]

. Приняв закон сохранения электрического заряда как принцип, мы, в частности, лучше понимаем стабильность мира: одинокий электрон не может исчезнуть, родив вместо себя частицу с меньшей массой (что не

запрещено само по себе), потому что в нашей Вселенной отсутствуют частицы с меньшей массой и

с электрическим зарядом; заряд электрона некому передать. Но одинокий мюон может

превратиться (и, не откладывая, превращается) в более легкие элементарные частицы, включающие электрон, которому и достается электрический заряд мюона. Важное дополнение к закону сохранения электрического заряда состоит в том, что в природе имеются элементарные (наименьшие) заряды и что, хотя электроны и протоны – это элементарные частицы существенно различного вида, участвующие в формировании материи выраженно несимметричным образом, они тем не менее несут в точности противоположные заряды. Из-за этого мир оказывается в целом электрически нейтральным, но при этом в глубине его электрические заряды только и делают, что взаимодействуют друг с другом, чем и определяют способы сборки всех вещей и материалов вокруг нас, включая живую материю. Заряды – это параметры, которые определяют степень участия во взаимодействии, и собрать хоть что-нибудь из одних только нейтральных (т. е. не несущих заряда) «деталей» было бы невозможно.

Связанные с движением законы сохранения – это сохранение энергии (ей посвящено отдельное приложение Б), количества движения и момента количества движения. Количество движения (синоним – импульс) – это произведение массы на скорость, если скорость невелика по сравнению со скоростью света, и более сложное выражение, пригодное для любых скоростей, меньших скорости света; отдельное правило требуется для подсчета количества движения самого света, т. е. электромагнитных волн (а также, строго говоря, и гравитационных волн). Эти правила прекрасно работают вместе: полное количество движения перераспределяется между взаимодействующими частями. Например, давление солнечного света на космические аппараты – результат обмена количеством движения: когда свет поглощается или переизлучается, некоторое количество движения достается спутнику. Разумеется, пока нас интересует какое-то конкретное тело или система, мы говорим об изменении количества движения под действием силы; но если включить в баланс и ту часть мира, со стороны которой сила действует, то полное количество движения остается неизменным. Количество движения – вектор, как и скорость: у него есть не только величина, но и направление; его можно задавать, указав три компоненты вдоль трех выбранных направлений в пространстве, поэтому количество движения – это не одно, а три числа.

Название «момент количества движения» лучше всего воспринимать как иероглиф, в котором отдельные слова не разобрать, но который все же намекает на родство с «просто» количеством движения. Я рискнул называть его количеством вращения. Закон сохранения этой величины – то самое, что вынуждает фигуриста ускорять свое вращение, когда он или она прижимает руки к телу: количество вращения чувствительно к массе, скорости и расстоянию до оси вращения, поэтому при уменьшении расстояния рук от оси скорость должна увеличиться, чтобы количество вращения не изменилось. Тот же механизм лежит в основе второго закона Кеплера: там, где планета (или комета, или что угодно) ближе к Солнцу, она движется быстрее. Количество вращения – тоже вектор, т. е. имеет и величину, и направление. Направлено оно вдоль оси вращения, причем одна из двух возможностей выбирается по определенному правилу.