Техника - молодёжи 1969-06, страница 21

Из «Начал» Ньютона вытекают основные законы сохранения: закон сохранения энергии (1), закон сохранения количества движения (2) и закон сохранения момента количества движения (3).

Невозможность безопорного поступательного движения замкнутой системы непосредственно следует из закона 2. Какие бы взаимодействия тел ни происходили внутри системы, ничто не изменит движения ее центра тяжести. Необоснованность мюнхгаузеиовских претензий имеет под собой прочную научную основу.

Тем не менее, используя внутренние источники энергии, можно изменить ориентацию замкнутой системы — заставить ее вращаться или изменить положение в пространстве. Такая возможность возникает благодаря действию закона 3. Представим себе космический корабль, свободно парящий в пространстве без вращения. Это значит, что момент количества движения корабля равен нулю. Если теперь заставить вращаться маховик, расположенный внутри корабля, то в системе возникнет дополнительный момент и для его компенсации аппарат начнет поворачиваться в противоположную сторону. Корабль можно оборудовать большим числом маховиков с различными направлениями осей, и такая система обеспечит любую ориентацию корабля.

СВЕДЕНИЯ, которые сообщаются в этой статье, могли бы показаться слишком элементарными, если бы из них не вытекали далеко идущие обобщения и выводы, касающиеся самых фундаментальных свойств природы. Пока что мы рассматривали аксиомы Ньютона как нечто данное нам в неизменном и застывшем виде, не задаваясь вопросом: почему именно эти законы управляют миром? Изменения, внесенные в классическую механику Альбертом Эйнштейном, позволили уточнить законы движения на случай очень больших скоростей и, в частности, установить, что, кроме обычной кинетической энергии, тело еще обладает энергией покоя, равной произведению массы на квадрат скорости света. Когда закон эквивалентности массы и энергии был экспериментально подтвержден, появилось сильное подозрение, будто бы «простая поверхностная» механика каким-то глубоким образом связана с наиболее общими свойствами физического мира.

Выдающийся немецкий математик Феликс Клейн в начале XX столетия выдвинул так называемую «Эрлангенскую программу». Он поставил задачу теоретически выяснить, каким образом законы природы связаны с известными свойствами пространства и времени. 26 июля 1918 года последовательница Клейна Эмми Нетер доложила Немецкому математическому обществу работу «Инвариантные вариационные задачи», в которой эта замечательная связь была установлена.

Нетер исходила из того, что законы движения должны быть инвариантными, или неизменными, в следующих случаях:

а) физический процесс не должен зависеть от момента времени, с какого он начинается (принцип однородности времени);

б) физический процесс не должен зависеть от того, в каком месте пространства он протекает (принцип однородности пространства);

в) физический процесс не должен зависеть от ориентации в пространстве (принцип изотропности пространства).

Однородность времени, однородность и изотропность пространства — новые аксиомы, из которых Нетер получила все известные ранее законы движения и, следовательно, законы сохранения.

Оказывается, из однородности времени непосредственно следует закон сохранения энергии, из однородности пространства — закон сохранения количества движения, из изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Другими словами, одно \ишь течение времени не может изменить состояние замкнутой системы. Нельзя изменить состояние замкнутой системы н при ее переносе или повороте в пространстве.

Таким образом, круг замкнулся, и вся механика оказалась сведенной к некоторым интуитивно очевидным свойствам четырехмерного мира. Прежде чем приниматься конструировать «безопорный движитель», нужно иметь достаточно оснований, чтобы опровергнуть перечисленные свойства пространства — времени. В частности, изобретателям «машины Дина» нужно прежде всего нарушить однородность пространства. Как это сделать — совершенно неясно.

Законы сохранения, из которых вытекают и законы движения, были проверены в масштабах вселенной и в масштабах микромира. Одно время существовало подозрение, что сохранение энергии и импульса наблюдается лишь для макросистем и что возможны нарушения этих законов в элементарных актах взаимодействия ядерных частиц.

Однако открытый Комптоном эффект рассеяния гамма-квантов на электронах (при котором меняется длина волны кванта) с высокой степенью точности подтвердил сохранение энергии и импульса и в этом случае.

На этом можно было бы поставить точку и покончить с «безопорным движением». Но, как это часто бывает в истории науки, эксперименты из области ядерной физики преподнесли сюрприз, о возможности которого никто не подозревал. Оказывается, кроме однородности и изотропности, пространство обладает еще зеркальной симметрией. Если протекает какой-либо процесс, то законам природы не должно противоречить и протекание его зеркального варианта. Глядя на реальное физическое явление, отраженное в зеркале, мы должны допустить: не вступая в противоречия с законами сохранения, его можно осуществить, так сказать, в действительности. Алиса, героиня известной сказки английского писателя и математика Кэрролла, попав в страну «Зазеркалье», не должна была увидеть там ничего такого, что не походило бы на страну «по эту сторону зеркала» (за исключением «мелочи» — правое стало левым). Но какое дело природе до правого и левого — понятий в высшей степени субъективных? Так, во всяком случае, считалось до декабря 1956 года.

В полном соответствии с принципами, изложенными Нетер, свойству зеркальной симметрии соответствует свой закон сохранения, закон сохранения четности. (Законы движения не должны меняться при изменении знака координат движущихся тел.)

Каково же было удивление физиков, когда на опытах с бета-радиоактивностью было доказано: на самом фундаментальном уровне природа «знает» правое и левое, причем в случае так называемых слабых взаимодействий она отдает явное предпочтение левому направлению. Узнав об этом открытии, один физик даже воскликнул: «Значит, бог был левшой!»

Растворы многих органических соединений обладают способностью поворачивать плоскость поляризации света то в правую, то в левую сторону. По этому признаку физики делят соединения на право- и левовращающие.

Одно и то же вещество может быть как тем, так и другим, причем оба варианта по своей пространственной структуре зеркальные копии друг друга.

Но вот что многозначительно: в органической природе встречаются и используются главным образом левовращающие органические соединения. Почти все белковые молекулы, из которых построено человеческое тело, принадлежат именно к такому классу химических изомеров!

До последнего времени считалось: это случайное явление (как случайно и то, что сердце человека находится с левой стороны). Однако опыты американцев By, Амблера, Хопса и других ученых, низвергнувших закон сохранения четности при слабых взаимодействиях, заставляют задуматься над причиной «левизны» в молекулярном мире. Не содержит ли «левизна» какие-то глубокие связи между явлениями жизни и структурой пространства — времени на субъядерном уровне?

Впрочем, все это лишь одни догадки. Важно другое: ниспровержение одного интуитивно очевидного свойства пространства заставляет более критически относиться и к другим его свойствам. И если создание «машины Дина» в макромире запрещено, то это еще не есть гарантия того, что в глубинах микрокосмоса ученые не обнаружат нечто такое, что напоминало бы безопорное движение.

НАШИ ДИСКУССИИ Ф НАШИ ДИСКУССИИ # НАШИ ДИСКУССИИ