О количестве энергии во Вселенной
А теперь вернемся к вопросу о том самом количестве энергии во Вселенной, которое, согласно закону сохранения энергии, неизменно, то есть представляет собой некую абсолютную константу.
Давайте спросим: а каково же это постоянное и неизменное количество энергии во Вселенной?
Поскольку закон сохранения энергии действует всегда и при любых обстоятельствах, а количество энергии всегда одно и то же, нельзя ли хоть приблизительно установить величину этой константы? Ну что вы – возразят нам, – Вселенная ведь бесконечна, значит и количество энергии в ней бесконечно!
Это уже подозрительно. Где это вы видели безразмерную константу, стремящуюся к бесконечности?
И здесь уместно вспомнить шутливую задачку, на которой спотыкаются даже серьезные физики. Представьте себе, что хулиганы привязали к хвосту кошки консервную банку. Известно, что таким образом экипированная кошка производит бешеный шум, который пугает, прежде всего, её саму, от чего она бежит ещё быстрее. Но чем быстрее она бежит – тем больший шум производит, и так далее. Спрашивается: с какой скоростью должна бежать кошка, чтобы не слышать этого шума?
На ум сразу приходит сверхзвуковая скорость – если разогнать кошку до такой скорости, она не будет слышать производимого ею шума, потому что он будет запаздывать, распространяясь с меньшей скоростью.
А ведь есть и другое, более простое и естественное решение этой задачи!
Чтобы не слышать шума кошка… не должна бежать! Или, если угодно, она должна иметь скорость, равную нулю.
Эта шутка – прямая аналогия с нашей проблемой. Когда говорят о том, что количество энергии в замкнутой системе есть величина постоянная, это не обязательно означает, что такой системе в целом действительно присуще какое-то определённое количество энергии. Иначе говоря, общее количество энергии системы может равняться нулю.
Как это может быть?
В 1747 г. американский физик Бенджамин Франклин, тот самый, чей портрет украшает стодолларовую купюру, открыл еще один закон сохранения – закон сохранения электрического заряда, смысл которого заключается в точном равенстве величин положительного и отрицательного элементарных зарядов. Этот закон формулируется так: «Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему28, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе». В 1843 закон сохранения электрического заряда был экспериментально подтвержден англичанином Майклом Фарадеем.
Оказалось, что разноименные заряды (заряженные частицы) появляются и исчезают парами: положительные и отрицательные. Так что, каково бы ни было их количество, в сумме они дают ноль.
Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны, т. е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды.
Если говорить о Вселенной, то, как считают ученые, её полный электрический заряд равен нулю; число положительно заряженных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.
А теперь вспомним открытый Уоллисом закон сохранения количества движения, утверждающий, что «общее количество движения в замкнутой системе постоянно». Согласно третьему закону Ньютона «действие равно противодействию», то есть силы взаимодействия двух тел равны по величине и противоположны по направлению.
Если рассматривать, скажем, систему, состоящую из камня и земли, на которой лежит камень, то сила сопротивления земли согласно закону Ньютона равна, но противоположна силе давления на нее камня, а общая сумма этих двух сил (с учетом знака) равна нулю. Именно по этой причине эта система находится в состоянии покоя. Если бы сила земли превысила силу камня, земля бы подбросила камень вверх, а если бы сила камня превысила силу земли – камень бы погрузился в землю (такое случается с метеоритными камнями, с чудовищной силой ударяющимися о землю).
Несложно представить себе систему, состоящую из многих взаимодействующих (движущихся в разных направлениях) тел, даже такую большую, как вся Вселенная, в которой моменты взаимодействующих между собой тел взаимно погашаются и их сумма равна нулю.
Как видим, и в законе сохранения количества движения, и в законе сохранения заряда константы равны нулю. Нет оснований думать, будто с законом сохранения энергии дело обстоит иначе. Во всяком случае, это должно быть справедливо в отношении свободной энергии, частными случаями которой являются энергия движения (кинетическая энергия) и электрическая энергия (энергия электрического поля, создаваемого зарядами). Это дает нам право предположить, что общее количество свободной энергии в изолированной системе равно нулю. Потому это количество и постоянно. Похоже, это единственное приемлемое решение для величины энергетической константы Вселенной.