Распутываем клубокЭнергия, импульс, сила и материя
Из описанных Галилео результатов эксперимента с маятниками и наклонными плоскостями и даже из его размышлений об экспериментах ясно, что он обладал очень острой интуицией в отношении энергии и ее сохранения. Хотя Галилео описывал результаты своей работы в «Диалоге о двух главнейших системах мира», он никогда целиком не осознавал, что у него в руках было начало закона сохранения энергии. Действительно, он описывал в первую очередь взаимодействия кинетической и потенциальной энергий, которые вместе составляют механическую энергию; они были единственными формами энергии, которые он знал из экспериментов.
Строго говоря, в рамках систем Галилео считал, что механическая энергия будет сохраняться только при отсутствии трения. В своих экспериментах он стремился устранить трение и сознательно игнорировал его в результатах и выводах. «Игнорировал» не в том смысле, что относился к нему небрежно. Наоборот, Галилео был очень обеспокоен точностью своих экспериментальных измерений.
Однако он не позволял своему беспокойству о деталях препятствовать пониманию того, что определенные несоответствия или очевидные противоречия — просто мелочи, которыми оправданно было пренебречь, чтобы увидеть большую картину. Таким образом, в то время как современники Галилео мучились с подобными деталями, неспособные сделать следующий большой шаг, Галилео твердо верил в математическую последовательность природы и оставил их далеко позади. Эта способность Галилео использовать собственные наблюдения при изучении реальных систем (вроде объекта, катящегося по наклонной плоскости), где присутствовало трение, и выявлять на их основе фундаментальные физические принципы доказывает его истинную гениальность.
Сегодня мы понимаем результаты работы всех систем, которые изучал Галилео, с точки зрения сохранения механической энергии. Представьте себе предмет, лежащий на вашем журнальном столике, — пульт от вашего телевизора. Сейчас, естественно, у предмета нет кинетической энергии, так как он не двигается сам по себе (я надеюсь). Но давайте рассмотрим такой сценарий: предположите, что вы очень мягко подталкиваете его к краю стола, пока он наконец не падает на пол. Очевидно, когда пульт падал, у него была кинетическая энергия (до того, как он коснулся пола). Но прежде чем вы толкнули его к краю и уронили на пол, он обладал потенциальной энергией.
В этом примере объект обладал потенциальной энергией, пока он лежал на столе, а после он приобрел кинетическую; таково отношение между потенциальной и кинетической энергиями объекта.
Независимо от того, что это за объект — качающийся маятник, объект, катящийся по наклонной плоскости или падающий со здания, или пульт от ТВ на вашем журнальном столике, — нахождение на определенной высоте дает ему потенциальную энергию, в то время как падение с этой высоты преобразовывает потенциальную энергию в кинетическую. Потенциальная энергия в этих примерах имеет в своей основе земную силу тяготения, которая «тянет» данный объект вниз[24].
В то время как эксперименты Галилео существенно развили наши понимание механической энергии, у него самого никогда не было четкого понимания того, что такое энергия на самом деле. В этом отношении он был не одинок. Непонимание в определении энергии — и физически, и математически — все еще было глубоко связано с темами импульса и силы. И, как будто этого было недостаточно, было очевидно, что природа вещества как-то в этом замешана; к несчастью, до ясного понимания последней было еще далеко. Галилео умер в 1642 году, свои последние девять лет жизни он провел под домашним арестом, а заключительные четыре года — в полной слепоте. Достаточно сказать, что в описании энергии Галилео продвинулся дальше, чем кто-либо еще. К моменту его смерти истинный характер энергии все еще был тайной и до полного понимания оставалось больше двухсот лет.
Столкновение объектов
К концу XVII века математика стала поставлять мощные инструменты для описания физических явлений. Несмотря на наличие необходимой математики энергию, импульс и силу еще долго не понимали.
Частично потому, что у ключевых игроков были разные познания в математике, способности или подход к работе. В это время математика не была уделом обученных профессионалов. Аристократы и образованные люди также считали модным увлекаться ей, и аутсайдеры стремились получить признание благодаря академическим состязаниям (в комплекте с призами). Математика была не просто инструментом для решения физических проблем; она также способствовала карьере, создавала союзы, дарила влияние и производила впечатление на других.
Кроме политики, были другие (более важные) предметы спора, сосредотачивающиеся на физической интерпретации получающихся значений. А именно: как физические свойства энергии, импульса, и силы выглядят с математической точки зрения? Более того, какие из этих физических свойств, если таковые имелись, сохранялись?
Идея о том, что определенные свойства сохраняются, играла все большую роль по мере того, как ученые и математики убеждались (часто на основе интуиции, метафизических, философских или религиозных причин, а не одной только научной аргументации), что сохранение энергии было чем-то фундаментальным в работе Вселенной.
В результате идею сохранения стали чаще применять в математических вычислениях[25] (иногда неправильно), которые также давали больше наглядности. Главной темой этих интенсивных обсуждений часто становилось лобовое столкновение (динамика взаимодействия тел) «твердых сфер», таких как столкновение между двумя бильярдными шарами на бильярдном столе.
Это, в свою очередь, породило еще одну проблему: до какой степени объект может быть «сжат» или «схлопнут»? Другими словами, насколько «тверды» сталкивающиеся объекты и могут ли они деформироваться при столкновении? Очевидно, это связано с самой природой вещества.
Сохранение «движения»
В 1644 году в своих «Первоначалах философии» Рене Декарт (1596–1650) предположил, что движение Вселенной в целом сохраняется. Таким образом, когда два объекта сталкиваются друг с другом, их совместное движение до и после столкновения остается неизменным. Его основания для такого вывода были просты: Бог создал Вселенную такой.
«Очевидно, когда Бог создал мир, Он не только перемещал его части различными способами, но также одновременно заставил некоторые части двигать другие и передавать свое движение этим другим. Таким образом, теперь мир поддерживают те же действия и те же законы, по которым Он создал его, Он сохраняет движение; движение, не всегда содержавшееся в тех же частях материи, но передающееся от некоторых частей другим в зависимости от способов, которыми они взаимодействуют».
По мнению Декарта, движение объекта было правильно измерять количеством m|v|; другими словами, масса объекта m, умноженная на его скорость |v|, определяет количество движения. Декарт также ввел несколько правил (семь, если быть точным), позволяющих правильно предсказывать результат изолированного столкновения между двумя «совершенно твердыми» телами. Его правила были прямой противоположностью повседневному опыту, и Декарт признавал это:
«Действительно, опыт зачастую как будто противоречит правилам, которые я только что объяснил. Однако, так как в мире не может быть никаких тел, которые указанным образом отделены от всех других, и так как мы редко сталкиваемся с идеально твердыми телами, очень трудно произвести вычисление, чтобы определить, до какой степени движение каждого тела может измениться под действием столкновения с другим».
Трогательное утверждение, но ошибочное.
Импульс, не «движение»
В 1666 году эксперимент со сталкивающимися телами привлек внимание Лондонского королевского общества, и Роберт Гук (1635–1703) на еженедельных встречах стал демонстрировать свои собственные эксперименты по столкновению тел. Другие также начали эксперименты — среди них Кристофер Рен (1632–1723), которого вместе с Христианом Гюйгенсом (1629–1695) и Джоном Уоллисом (1616–1703) в 1668 году пригласили представить теорию о связанных законах движения. Это было спустя двадцать четыре года после появления «Первоначал философии» Декарта.
Вскоре после выхода статьи были прочитаны Обществу: Уоллис — 26 ноября 1668 года, Рен — 17 декабря 1668 года, Гюйгенс, изданный позже в том же году и в «Философских трудах», и в «Журналь де саван», — 7 января 1669 года. Гюйгенс взял свою работу из труда, который в 1656 году он уже закончил, но решил в то время не издавать; труд издали после его смерти, в 1703 году, под заглавием «О движении тел под влиянием удара» (De Motu Corporum ex Percussione).
Они независимо пришли к одному заключению, что во время столкновения возникает импульс, который сохраняется, — а не движение, как настаивал Декарт. В отличие от количества движения у Декарта — m|v|, импульс объекта рассчитывается как mv, то есть как масса, умноженная на вектор скорости v — не скорость, |v|. В чем разница?
Представьте, что вы едете по дороге в своем автомобиле и смотрите на спидометр, который показывает вашу скорость |v|; это значение, к которому обращался Декарт. Теперь представьте, что вы смотрите на спидометр, а затем на компас; теперь вы знаете и свою скорость, и направление. Это и есть скорости v. Мы называем v вектором, так как v показывает и направление, и величину, тогда как скорость |v|, которую мы можем упростить до v, дает только величину и называется скаляром.
Гюйгенс, который создал более полную теорию, пошел дальше и пришел к заключению, что для «твердых сфер», которые сталкиваются друг с другом и возвращаются к состоянию, предшествующему столкновению, сохраняется значение mv 2. Сегодня мы называем эти типы столкновений упругими в противоположность неупругим столкновениям, где сталкивающиеся объекты переносят своего рода деформацию — «сжимаются», — сохраняя это состояние после столкновения.
Трудам Уоллиса (который также рассмотрел неупругие столкновения), Рена и Гюйгенса понадобилось пройти долгий путь, чтобы улучшить понимание динамики взаимодействия тел. Это устанавливает начальную точку опоры для сохранения импульса и опровергает теорию сохранения движения Декарта. Кроме того, mv 2 Гюйгенса дало новое понимание сохранения, позволив позже возобновить этот спор.
Vis viva — «живая сила»
В 1686 году Готтфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) издал свою «Краткую демонстрацию памятной ошибки Декарта и других относительно законов природы, согласно которому Бог, как говорят, всегда сохраняет то же количество движения; закон, который они также неправильно применяют в механике». В этом труде он приводит доводы против теории Декарта о сохранении суммарного движения и дает примеры, где эта идея не работает. Таким образом начался известный спор, известный как «vis viva».
В 1695 году в «Очерке динамики» Лейбниц публично рассматривает то, что он считает ключевой величиной mv 2, которое он потом назовет vis viva, или «живая сила»; это та же величина, которая, как указал Гюйгенс, сохраняется в отдельных столкновениях между твердыми сферами. Однако для Лейбница сохранение vis viva было универсальным.
Лейбниц рассматривал vis viva как меру способности объекта передать энергию посредством движения. Таким образом, движущееся тело, сталкивающееся с покоящимся, передает «жизнь», приводя второе в движение. В целом сталкивающиеся объекты, как предполагалось, передавали vis viva друг другу без потери, таким образом сохраняя ее.
Тем не менее Лейбниц заинтересовался (и небезосновательно) столкновениями, которые, как «кажется», теряют свою vis viva. Классический пример этого — падающий объект, сталкивающийся с землей, где он в конечном счете резко останавливается. Другим хорошим примером были бы два «мягких объекта», движущиеся друг на друга, «сминаясь» или деформируясь, замедляясь в процессе.
Лейбниц был умным парнем и отлично знал об этом противоречии. По его словам, vis viva не исчезает, а просто передается мелким частям в объекте. Смысл в том, что эти мелкие кусочки поглощают ее, но не делают вклада в движение объекта в целом, и таким образом vis viva сохраняется. Он сказал: «Но эта потеря… не умаляет неприкосновенную истинность закона сохранения… Ибо то, что поглощают мелкие частицы, не потеряно для Вселенной…»
В то время как Лейбниц представлял vis viva как силу, приводящую объект в движение, он рассматривал vis mortua, или «мертвую силу», как придающую объекту стремление к движению. Например, у объекта, лежащего на столе, в силу высоты от пола и его веса есть потенциал движения, который будет реализован, едва объект столкнут со стола, — он упадет на пол. Поэтому vis mortua может превратиться в vis viva, когда ранее неподвижный объект преодолевает то, что его сдерживало; как только объект сталкивают с края стола, ничто больше не позволяет ему сопротивляться падению на пол. Эти идеи были, конечно, предшественниками того, что мы теперь называем потенциальной и кинетической энергиями и того, что энергия может на самом деле быть преобразована из одной формы в другую: vis mortua превращается в vis viva.
Безусловно, теория Лейбница о vis viva имеет метафизическую природу. Как и многие другие философы, он был просто убежден, что природа хранит «нечто». Допущение, что это — vis viva, позволяло Лейбницу считать, что Вселенная — самоподдерживающаяся система, которая будет оставаться в движении, а не какие-нибудь «часы», которые остановятся, если их постоянно не заводить.
Vis viva Лейбница и связанные понятия были значительным шагом вперед. Тем не менее сам факт того, что он рассматривал эту концепцию как фактическую меру силы, а не форму энергии (современное выражение для кинетической энергии — mv /2), иллюстрирует беспорядок в современной ему науке. Споры о vis viva, которые Лейбниц начал в 1686 году, продолжались довольно долго и не были полностью разрешены до некоторой неопределенной даты в XVIII или, возможно, даже XIX веке.
Законы движения
В 1687 году Исаак Ньютон (1643–1727) опубликовал свою книгу «Начала» — без сомнения, одну из важнейших работ по физике всех времен. Хотя это было удивительно нечитабельно из-за содержания и формы, ее быстро распродали. В этой книге Ньютон описывает (среди прочего) три закона движения. Эти три закона доказывали — и математически, и физически, — чем в действительности является и не является сила. Для начала, это не энергия. В продолжение Ньютон корректно выводит из своего третьего закона сохранение импульса[26]. В отличие от Гюйгенса, Ньютон доказал, что импульс сохраняется универсально, не только во время столкновения двух твердых сфер. Сегодня мы видим, что импульс сохраняется во всех видах систем от бильярдных шаров до субатомных частиц.
Хотя Ньютон воздержался от участия в полемике вокруг vis viva, он был против vis viva в целом, так как «живая сила», казалось, не сохранялась при неупругих столкновениях; по-видимому, его не убедили аргументы Лейбница, что vis viva передается малым частицам в объекте. В целом Ньютон просто не верил в сохранение энергии. В то время как Декарт был уверен, что Бог играл роль всемирного архитектора, Ньютон — будучи очень религиозным — хотел видеть Бога в более заметной и постоянной роли, чем первоначальный проектировщик.
Для него участие Бога было необходимо, чтобы поддерживать все в рабочем состоянии. Соответственно, энергия не сохранялась, потому что был Бог, который продолжал предоставлять Вселенной энергию по мере необходимости; была рука Бога, которая заводила «всемирные часы», чтобы все работало вечно. То, что Вселенная все еще продолжает работать, было для Ньютона доказательством существования Бога. Таким образом, Вселенная Ньютона работала согласно его законам движения и хранила импульс, но требовала случайного «подталкивания» от Бога, чтобы события шли своим чередом.
Ньютон написал «Начала» главным образом для того, чтобы найти решение проблем, связанных с астрономическими объектами, таких как движение планет вокруг Солнца, и дал только несколько примеров того, как можно было бы применить эти законы к движению здесь, на Земле[27]. И хотя результаты были впечатляющими, небольшое количество примеров и отсутствие их точности оставили многих задаваться вопросом, как применить Ньютоновы законы движения к земным проблемам в целом. В частности, динамика взаимодействия тел, как казалось многим, методам Ньютона не поддавалась.
Понимание вещества
Отсутствие четкого понимания состава вещества и его фундаментальных принципов только усложняло для человечества задачу по постижению движения. В 1724 году Парижская академия провела конкурс, касающийся законов, управляющих столкновением «абсолютно твердых сфер». Иоганн Бернулли (1667–1748) начал с того, что прямо отверг возможность существования таких тел в природе. Само собой разумеется, его позиция не помогла ему расположить к себе академию, и его дисквалифицировали.
Бернулли (который в своей аргументации опирался на «Законы непрерывности» Лейбница) считал, что если бы две абсолютно твердых сферы столкнулись, их направления и скорости должны были бы мгновенно измениться под влиянием импульса. Это вызвано тем, что совершенно твердый объект не будет «мяться» или «деформироваться», а скорее останется после столкновения неизменным. С другой стороны, упругий объект после воздействия сожмется, а впоследствии вернется к своему исходному состоянию[28], подобно пружине. Конечно, для этого процесса потребуется определенное количество времени. Для Бернулли и Лейбница отсутствие такого механизма для абсолютно твердых сфер — объяснение того, почему столкновение должно было произойти мгновенно и, следовательно, физически неосуществимо.
Бернулли считал, что вещество изначально упругое, а столкновение объектов приводит к сжатию и расширению «крошечных пружин» внутри них. Поскольку одна из этих пружин сжата, vis mortua и ее последующее распространение приводит ее к преобразованию в vis viva. В свою очередь, vis viva передается другому телу, вовлеченному в столкновение, таким образом изменяя его движение. Используя эту оригинальную модель вещества, Бернулли смог показать, как и Гюйгенс, что и vis viva, и импульс при столкновении сохраняются. Таким образом, Бернулли обеспечил оригинальную парадигму Лейбница математической и физической основой, расширив ее.
Когда XVIII век подошел к концу, область физики, которую сегодня мы называем классической механикой, действительно вступила в свои права. Галилео показал, что можно было понять Вселенную через осторожное наблюдение и математику. Многие продолжали строить на прочном научном фундаменте, который он заложил. Со времен Галилео математика стала еще более влиятельной, а ее приложение к физическим проблемам — более распространенным. Работа Галилео дала базу для сохранения «чего-то», в чем в конечном счете распознали сохранение механической энергии, или, другими словами, преобразование потенциальной энергии в кинетическую энергию — и наоборот.
Это понимание выросло из попытки лучше понять импульс, силу, вещество, а также энергию. Хотя Ньютон опровергал сохранение энергии, он действительно доказал универсальное сохранение импульса, дав математическое и физическое описание силы, и представил законы движения земных и небесных тел.
Работы других исследователей уточнили и дополнили его исследования. Даже рабочее определение вещества как действия «крошечных пружин», далекое от полного, оказалось успешным с точки зрения решения проблем физики. Действительно, казалось, что проблемные вопросы в значительной степени находились «под контролем». Тем не менее нерешенных вопросов было все еще много. Среди них, возможно, одним из самых непростых было тепло.