Гусейханов М., Раджабов О. Концепции современного естествознания: Учебник

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ

Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам.
У. Шекспир

8.1. Многообразие форм материи

Все то, из чего состоит окружающая нас Вселенная, мы называем материей. Философское определение материи — это объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Философское понятие материи может быть определено путем соотношения его с понятием сознания, что его отражает. Если материя есть объективная реальность, то сознание — это субъективная реальность. Сознание есть свойство высокоорганизованной материи как идеальное отражение материального мира. Кроме указанного свойства материя обладает следующими всеобщими свойствами: субстанциональностью, активностью, сохраняемостью, структурностью, неисчерпаемостью, способностью отражения, конечностью и бесконечностью, абсолютностью и относительностью, прерывностью и непрерывностью и др.
Субстанциональность материи состоит в том, что объективная реальность есть причина самой себя, она не сотворима и не уничтожима.
Активность материи выражается в ее беспредельной способности к самодвижению, развитию, ведущему к непрестанным качественным изменениям мира, его постоянному обновлению. Существование материи — это вечно живой, внутренне активный процесс образования, развития и взаимодействия многообразных видов и свойств.
162

1. система неживой природы (элементарные частицы и поля, вакуумы, атомы, молекулы, макроскопические тела, космические системы различных порядков);
2. живые системы (вся биосфера — от микроорганизмов до человека);

163

3) социально-организованные системы (человек, общество).
Материя в природе существует в виде вещества и поля.
Таким образом, материя (лат. materia) — все, из чего состоит окружающий мир, множество явлений, объектов и их систем, носитель всех разнообразных свойств, отношений, взаимодействий объектов и форм движения. Все существующее в природе материально. Многообразные явления в мире представляют собой различные виды движения материи.

8.2. Вещество и его состояния

На случаи наталкиваются именно те ученые, которые делают все, чтобы на них натолкнулись.
К. Тимирязев

Вещество — один из видов материи, из которого состоит весь окружающий нас мир. Его образуют большие скопления различных частиц, структур. Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Разные изделия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, и их вещество будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — вещество того же наименования, полученное в реальных условиях, т. е. имеющее неизбежные примеси.
В зависимости от условий среды вещество может находится в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Микроструктура и состояние движения частиц в этих состояниях вещества носят различный характер. Рассмотрим их:
Твердое состояние. При достаточно низких температурах вещество находится в твердом состоянии, энергия системы минимальна и из всех возможных взаимных расположений частиц
164

реализуются упорядоченные, называемые кристаллическими. Под понятием "кристалл" (кристаллическое тело) подразумевают прежде всего периодичность его микроскопической структуры. В кристалле каждый атом окружен расположенными определенно другими атомами, и если эта конфигурация атомов обладает наименьшей возможной энергией, ясно, что она должна повторяться и в любых других местах тела. Простейшая конфигурация атомов, которая периодически повторяется вдоль тела во всех трех измерениях, образует элементарную ячейку кристаллической решетки. Кристаллическая решетка обладает симметрией переноса вдоль соответствующего направления. Естественно, физические величины также обладают такой же периодичностью. Число типов симметрии в природе ограничено. В решетках между атомами существует ионная, ковалентная, металлическая и ван-дер-ваальсовая связи. В реальных кристаллических телах существуют различные дефекты решетки: точечные дефекты (вакансии — пустые незаполненные места в узлах решетки; межузельные атомы внедрения), линейные дефекты, к которым относятся дислокации — наличие в решетке лишней кристаллической полуплоскости. По энергетическому характеру распределения электронных состояний в кристаллах в природе существуют три основные группы кристаллических твердых тел: металлы, диэлектрики и полупроводники. Они имеют различные свойства электрической проводимости тока. Атомы в твердом теле не могут значительно удаляться от своих равновесных положений — узлов кристаллической решетки. Их движение в основном сводится к колебаниям вблизи узлов решетки. Геометрия кристаллического состояния вещества при обычных давлениях и температурах отличается необычайным разнообразием, хотя число типов решеток и ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением. В качестве примера можно указать на алмаз и графит — вещества, состоящие из одних и тех же атомов углерода, но имеющие различные кристаллические решетки. Тела могут сильно отличаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств. Зная
165

атомную природу тел и зависимость указанных свойств от нее, можно целенаправленно создавать новые материалы.
Жидкое состояние. При повышении температуры скачкообразно происходит фазовый переход кристалл—жидкость (плавление) и при этом поглощается удельная теплота перехода. Каждое вещество имеет строго определенную температуру плавления. Жидкость — это вещества, в которых взаимодействие между частицами велико и в то же время тепловое движение частиц является сложным. В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными, т. е. связанными с какими-то определенными положениями в теле. Они совершают колебательное движение и могут перескакивать, поэтому жидкости, сохраняя объем, могут изменять свою форму. Тепловые свойства конкретных жидкостей существенно индивидуальны. Лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, возможно исследование тепловых свойств жидкостей в общем виде. Однако в природе имеется только одно вещество — гелий, которое остается жидким при Т —> 0 К.
Газообразное состояние. При дальнейшем повышении температуры вещества также скачкообразно, при определенной температуре, характерной данному веществу, совершают фазовый переход жидкость—газ. В газах частицы совершают хаотическое поступательное движение. Вещество в газообразном состоянии представляет собой совокупность многих слабо взаимодействующих частиц и оно практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разряженных газах по-существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.
Плазменное состояние. Дальнейшее весьма значительное повышение температуры (до 104-105 К) среды ведет к ионизации атомов, т. е. распаду их на ионы и свободные электроны. Частично или полностью ионизированный газ образует особое состояние вещества, называемое плазмой. Поскольку ионы и электроны, в отличие от атомов, несут нескомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что
166

сближает ее с конденсированным состоянием, т. е. с твердыми телами и жидкостями. В плазме легко возбуждаются всякого рода упругоэлектрические колебания. Особыми свойствами обладают вещества при сверхвысоких температурах и больших плотностях. При температурах ~ 107 К достигается полная ионизация плазмы: вещество состоит из "голых" ядер и свободных электронов. При дальнейшем повышении температуры начинаются ядерные превращения (~ 108 К). При температурах свыше 109 К ядра разрушаются; при этом вещество состоит из протонов и электронов. Наконец, при температурах свыше 1013 К возможно широкое превращение частиц друг в друга. Это все рассматривалось при нормальном давлении. При невысокой температуре изменение давления также приводит к изменению состояния вещества. При сжатии вещества до ~ 108 атм. электронные оболочки атомов деформируются и возможно свободное движение внешних электронов, т. е. "металлизация" вещества. При достаточном сжатии вещества до ~ 1012 атм. роль взаимодействия электронов с ядрами становится несущественной и вещество можно рассматривать как электронный газ большой плотности. Когда давление газа становится порядка 1018 атм., происходит захват электронов ядрами с испусканием нейтрино и уменьшением заряда и энергии связи ядра. При давлении 1024 атм. нейтроны преобладают над электронами и вещество можно рассматривать как нейтронный газ. При давлении 1027 атм. нейтронный газ имеет плотность ядерного вещества.

8.3. Энергия и ее проявления в природе

Наука научила людей пользоваться энергией, скрытой в сокровищницах Земли. Она должна вести человека в сокровищницы неба и научить его улавливать там энергию солнечных лучей.
К. Э. Циолковский

Понятие энергии занимает фундаментальное положение в структуре современного естествознания. Под энергией понима-
167

ют единую меру различных форм движения и взаимодействия материи. Она проявляется во множестве различных видов.
В механике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Кинетической энергией тела называют энергию, являющуюся мерой его механического движения и измеряемую той работой, которую может совершить тело при его торможении до полной остановки. Потенциальная энергия определяется как свойство системы материальных тел совершать работу при изменении положения или конфигурации тел в системе. Работа, совершаемая консервативными силами при изменении конфигурации системы, т. е. расположения всех ее частей по отношению к системе отсчета, не зависит от того, как было осуществлено это изменение при переводе системы из начальной конфигурации в конечную, в которых система имела различные значения энергии. Значит, работа может быть определена как мера изменения энергии, а энергия — как способность тела совершать работу. Причем применительно к механическим процессам полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии происходит в форме работы в процессе силового взаимодействия тел.
В случае, когда помимо консервативной силы, зависящей только от положения тела, в системе действуют и силы трения, тогда любая работа, совершаемая над телом извне, равна сумме приращений кинетической, потенциальной и внутренней энергии. Значит, механическая энергия при трении переходит во внутреннюю энергию, что сопровождается изменением состояния, степени нагретости или объема тела. Величину внутренней энергии (U) можно увеличить двумя эквивалентными способами — совершая над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q):

168

Значит, количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии тела и выражает тепловую энергию. Установлен эквивалент между количеством теплоты и работой. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющей величиной. Механическая и тепловая энергии — это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Химические реакции протекают с выделением или поглощением теплоты, показывая взаимопревращение химической энергии и теплоты. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытию взаимопревращений электрической и магнитной энергий. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращении электрической энергии и теплоты. Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля—Ленца).
Электрическая и магнитная энергии могут проявляться как единая электромагнитная энергия. В частном случае электромагнитную энергию испускают нагретые тела (примером этого служит солнечная энергия). Иногда солнечную энергию рассматривают лишь как прямое солнечное излучение, которое накапливается на Земле в виде гидроэнергии и энергии ископаемого горючего. Интенсивность солнечной энергии на поверхности Земли в средних широтах в летнее время примерно составляет 1 кВт/м2. Если 0,1% всей поверхности Земли преобразуют эту солнечную энергию в электрическую с эффективностью 5%, то электрическая энергия, генерируемая ежегодно, будет в 40 раз больше современного годового уровня потребления ее во всем мире.
В теории относительности было показано, что энергия покоя является энергетическим выражением массы тела, находящегося в состоянии покоя. А Эйнштейн показал, что энергия покоя тела с массой m0 равна Е0 = m0 с2. Согласно этой формуле один
169

грамм вещества обладает энергией покоя 9 ¦ 1013 Дж (1033 эВ). В обычных условиях колоссальная энергия покоя находится как бы в скрытом состоянии. Условия, при которых возможно освобождение всей энергии покоя вещества, весьма необычны: каждый атом тела должен встречаться с антиатомом антитела. При такой встрече произойдет процесс аннигиляции, т. е. превращение энергии покоя обоих тел в другую форму энергии (например, в энергию покоя и кинетическую энергию образующихся при аннигиляции более легких, чем нуклоны, частиц). Разумеется, аннигиляция элементарных частиц пока практического значения (как источник энергии) не имеет, так как для создания условий, при которых она может происходить, приходится затрачивать неизмеримо больше энергии, чем ее выделяется при аннигиляции.
Далеко не все вещества пригодны как источники энергии, и величины выделяемой энергии веществами имеют существенные различия. Например, величина энергии, необходимой для того чтобы удерживать валентный электрон в атоме, составляет всего несколько электронвольт (эВ), в то время как величина энергии, связывающей нуклоны (протоны и нейтроны) в атомном ядре, достигает порядка 10 млн эВ на каждый нуклон. Следовательно, энергия, высвобождаемая на один атом при сжигании ископаемого горючего, составляет несколько электронвольт, в то время как энергия, высвобождаемая в результате ядерных взаимодействий, исчисляется миллионами электронвольт (МэВ). Химическая реакция (химическая энергия):

Полная энергия, запасенная во всех делящихся материалах, имеет такой же порядок величины, что и энергия, запасенная во
170

всех месторождениях ископаемых топлив. Энергия же, выделяемая в результате синтеза ядер, практически неограниченная.
Современная энергетика в основном базируется на горючих ископаемых, каковыми являются каменный и бурый уголь, сланцы, торф, нефть и газ. В настоящее время в мире добывают около 7 млрд т условного топлива в год. Из той энергии, которая вырабатывается из органического топлива, около 25% расходует транспорт (автомобильный, авиационный, железнодорожный, морской) и сельскохозяйственные машины, 30-35% потребляют тепловые электростанции, около 30% идет в металлургическую и химическую промышленность, в машиностроение и производство стройматериалов и, наконец, не более 10% расходуется на бытовые нужды. Естественные запасы органического топлива пока еще велики, но не безграничны. Считают, что с учетом постоянного, но все уменьшающегося пополнения этих запасов их будет достаточно еще на 80 лет или, по другим данным, на 120-140 лет. Поэтому совершенно естественно и давно встал вопрос о новых источниках энергии. Решается этот вопрос во многих направлениях. Наиболее надежным из них считается расширение перспектив привлечения гидроресурсов, доля которых в стационарной энергетике сегодня составляет 17%. Но расширение сети гидроэлектростанций возможно лишь до определенного предела, разрешенного экологическими нормами. И этот предел применительно к большим рекам нашей страны достигнут, хотя в Дагестане еще есть резервы. Ставится задача использования энергии приливов и отливов морей, энергии ветра и волн. Не прекращается поиск новых запасов нефти на шельфах морского побережья. Но сжигание даже добываемых ныне семи миллиардов тонн органического топлива ведет к выбросу в атмосферу 15-17 млрд т углекислого газа с примесями СО и даже SO2 со всеми вытекающими отсюда последствиями.
В связи с этим в настоящее время особенно заманчивым является процесс преобразования энергии покоя в кинетическую энергию ("превращение массы в энергию"). Так как при обычных условиях любое тело обладает огромным резервом неиспользуемой энергии покоя Е0 = m0 с2, то даже ничтожно
171

малое уменьшение массы покоя должно приводить к заметному возрастанию кинетической энергии. Атомная энергия получается за счет "переработки" примерно 0,1% массы самого тяжелого из существующих в природе веществ — урана, термоядерная энергия — за счет переработки части массы наиболее легких веществ, например дейтерия. В каждом из этих направлений есть две задачи: мгновенное и медленное преобразование массы в энергию. В первом направлении полностью решены обе задачи: ученые и инженеры умеют освобождать атомную энергию как в мгновенном процессе взрывного типа (атомная бомба), так и в медленном управляемом процессе (ядерный реактор). В настоящее время атомная энергия широко используется в науке, промышленности и на транспорте. Во втором направлении пока решена только половина задачи — термоядерную энергию научились освобождать в мгновенном процессе взрывного типа (водородная бомба). Осуществление процесса медленного управляемого термоядерного синтеза оказалось настолько трудной задачей, что сейчас нельзя даже приблизительно указать, когда она будет решена. Но она будет решена, так как эти трудности, по-видимому, не носят принципиального характера.
Любое атомное ядро состоит из некоторого количества (Z) протонов и (A-Z) нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами притяжения (сильные взаимодействия). Ядерные силы отличаются очень большой интенсивностью на расстояниях ~ 10-13 см и чрезвычайно быстро ослабевают с ростом расстояния. Так как для разделения ядра на нуклоны (протоны и нейтроны) надо совершить работу на преодоление ядерных сил притяжения, то энергия атомного ядра меньше энергии тех нуклонов, из которых ядро состоит. А так как энергия и масса связаны соотношением Е = m с2, то масса атомного ядра также меньше суммарной массы всех составляющих его нуклонов. Разность их значений, выраженная в энергетических единицах, называется энергией связи AW.
Энергиясвязи любого ядра положительна, и она должна составлять заметную часть, приблизительно равную 1% от его
172

энергии покоя. Если же мы заинтересуемся ее точными значениями для различных ядер и подсчитаем их по приведенной формуле, то убедимся, что они довольно сильно колеблются, в особенности у легких ядер. Доля, которую составляет энергия взаимодействия нуклонов от энергии покоя, зависит от числа взаимодействующих нуклонов. С ростом числа нуклонов она сначала возрастает, а затем уменьшается. Другими словами, нуклоны особенно прочно связаны в средних (по весу) ядрах, слабее — в тяжелых и очень легких ядрах. Главная причина различия в энергии связи разных ядер заключается в следующем. Все нуклоны, из которых состоит ядро, можно условно разделить на две группы: внутренние и поверхностные. Внутренние нуклоны окружены соседними нуклонами со всех сторон, поверхностные же — только с внутренней стороны. Поэтому внутренние нуклоны взаимодействуют с остальными нуклонами сильнее, чем поверхностные. Но процент внутренних нуклонов особенно мал у легких ядер (у самых легких ядер все нуклоны можно считать поверхностными) и постепенно увеличивается по мере их утяжеления. Поэтому энергия связи должна расти вместе с ростом числа нуклонов в ядре. Однако этот рост не может продолжаться очень долго, так как начиная с некоторого достаточно большого числа нуклонов (А = 50 - 60) количество протонов в ядре становится настолько большим, что делается заметным их взаимное отталкивание даже на фоне сильного ядерного притяжения. Это отталкивание и приводит к уменьшению энергии связи у тяжелых ядер. Поэтому ядра одних атомов устойчивы, стабильны, а других атомов химических элементов — неустойчивы и нестабильны.
Из сказанного понятно и то, откуда берется энергия при синтезе легких ядер, так же как при делении тяжелых, получаются более прочные (более устойчивые) ядра (с большей взаимосвязанностью нуклонов), чем исходные. Поэтому при слиянии легких ядер должна выделяться энергия.
Количество энергии синтеза, приходящейся на единицу массы, может в несколько раз превосходить удельную энергию деления.
173

Хорошо известно, что целый ряд атомных ядер из числа встречающихся в природе, например радий, уран, торий и др., обладают способностью самопроизвольно испускать -частицы, электроны и -кванты. Такие ядра и элементы называются радиоактивными. Про них говорят, что они обладают естественной радиоактивностью. Кроме того, было получено множество радиоактивных ядер. Явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц, называют радиоактивностью. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся (рис. 8.1):

1.  -распад;
2.  -распад (в том числе электронный захват);
3.  -излучение ядер;

1. спонтанное деление ядер;
2. протонная радиоактивность.

Существует три типа распада радиоактивных изотопов: испускание  -частиц, в котором ядро одновременно теряет два протона и два нейтрона (-частицу); -распад, в котором теряется один высокоэнергетический электрон, и электронный захват, в котором теряется один высокоэнергетический фотон
174

В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что у некоторых веществ (AI, В, Mq) способность испускать позитроны сохраняется на некоторое время и после того, как облучение а-частицами уже прекращено. Изучение этого явления показало, что по своим свойствам оно аналогично естественной радиоактивности тяжелых элементов.
Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам. Во всех видах радиоактивного превращения выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электростатического, барионного и леп-тонного зарядов.
Одной из самых замечательных ядерных реакций является реакция деления. Делением называется реакция расщепления атомного ядра на две примерно равные по массе части (осколки деления). Тяжелые ядра (Z90) делятся как самопроизвольно (спонтанное деление), так и принудительно (вынужденное деление). В отличие от спонтанного вынужденное деление происходит практически мгновенно (t10-14 с). Для вынужденного деления ядер с Z90 достаточно их предварительно слабо возбудить, например облучая нейтронами с энергией около 1 МэВ. Некоторые ядра, например уран-235, делятся даже под действием тепловых нейтронов.
Масса (а значит, и энергия) делящегося ядра значительно превышает сумму масс осколков. В связи с этим при делении освобождается очень большая энергия Q200 МэВ, значительную часть которой (170 МэВ) уносят осколки в виде кинетической энергии. Осколки деления имеют большой избыток нейтронов. Поэтому они обладают-радиоактивными цепочками из продуктов деления, а также испускают мгновенные (два-три на один акт урана) и запаздывающие (1% мгновенных) нейтроны.
175

Большое энерговыделение, испускание нескольких нейтронов, возможность деления при небольшом возбуждении ядра позволяют осуществить цепную реакцию деления. Идея цепной реакции деления заключается в использовании вылетевших в процессе деления нейтронов для деления новых ядер с образованием новых нейтронов деления и т. д. Для нарастания цепного процесса необходимо, чтобы отношение числа нейтронов в двух последовательных положениях (так называемый коэффициент размножения нейтронов К) было больше единицы (К > 1).
Значения коэффициента размножения зависит от числа нейтронов, испускаемых в одном акте деления; от вероятности их взаимодействия с ядрами урана и других элементов при разных энергиях; от конструкции и размеров реакторной установки. В частности, активная зона реактора (область, где развивается цепная реакция) должна иметь размеры не меньше некоторой критической величины.
Цепная реакция, протекающая в уран-графитовом реакторе на тепловых нейтронах при К1,005, относится к классу медленных управляемых цепных ядерных процессов. Естественный уран не пригоден для осуществления быстрого цепного ядерного процесса взрывного типа на быстрых нейтронах. Такой процесс был осуществлен в 1945 г. на чистом изотопе урана-235 и на обладающем аналогичными свойствами изотопе плутоний-239 трансуранового элемента плутония.
Принцип работы атомной бомбы заключается в очень быстром сближении нескольких порций ядерного горючего, общее количество которых после их объединения превосходит по массе и размерам критические значения. Энергетическая эффективность атомной бомбы примерно в миллион раз превышает эффективность обычной бомбы.
После окончания Второй мировой войны основные усилия ученых-атомщиков были направлены на освоение атомной энергии в мирных целях. В 1954 г. у нас в стране была пущена первая в мире атомная электростанция, в 1957 г. спущен на воду атомный ледокол. В настоящее время атомная энергия применяется практически во всех областях народного хозяйства и науки и
176

вносит все больший вклад в мировую энергетику. Построено и работает много ядерных реакторов разных типов (на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах) с различными замедлителями (графит, вода, тяжелая вода, бериллий и др.) и совсем без замедлителя (на быстрых нейтронах), с разным ядерным горючим (естественный уран, обогащенный уран, плутоний и др.). Они используются и для получения энергии (атомные электростанции, суда и др.), и для различных научных исследований. И хотя чернобыльская трагедия резко снизила восторг от успехов атомной энергетики, ее развитие обещает в дальнейшем широкие возможности и электрификации, и теплофикации, и даже химизации. Проблемы надежности работы атомных электростанций и их безаварийности более всего связаны с решением вопросов защиты атомных реакторов от внешних экстремальных воздействий (например, в условиях пожара) и захоронения радиоактивных отходов. Но в ближайшей перспективе по мере развития ядерной энергетики и радиохимии хранилища изотопов, т. е. осколки ядерного деления, могут превратиться в очаги производства ценнейших элементов, в частности платиноидов. Сегодня изотопы легких платиновых металлов, образующиеся в процессе деления ядер урана и плутония на атомных станциях, доставляют хлопоты: куда бы их подальше спрятать и изолировать. Но радиохимия, изучающая химические свойства и химические превращения радиоактивных веществ, уже в ближайшее время должна решить задачу выделения этих ценных металлов и очищения их от радиоактивных примесей.
И все-таки современные электростанции нельзя считать верхом достижения атомной энергетики и энергетики вообще, хотя они сегодня вносят около 12% вклада в общий энергетический баланс. Их недостаток не только в опасности типа Чернобыля, а еще и в том, что они работают, используя в качестве ядерного топлива изотоп урана-235, доля которого в природном уране составляет всего-навсего 0,7%. Поэтому развитие атомной энергетики на основе современного поколения АЭС определяется ресурсами урана, которые по энергетическому запасу сравнимы с запасами нефти.
177

Кроме реакции деления тяжелых ядер существует еще один способ освобождения внутриядерной энергии — реакция синтеза легких ядер. Величина энерговыделения в процессе синтеза настолько велика, что при большой концентрации взаимодействующих ядер ее может оказаться достаточно для возникновения цепной термоядерной реакции. В этом процессе быстрое тепловое движение ядер поддерживается за счет энергии реакции, а сама реакция — за счет теплового движения. Для достижения необходимой кинетической энергии температура реагирующего вещества должна быть очень высокой (107-108 К). При такой температуре вещество находится в состоянии горячей, полностью ионизированной плазмы, состоящей из атомных ядер и электронов. Совершенно новые возможности открываются перед человечеством с осуществлением термоядерной реакции синтеза легких элементов. Можно представить себе три способа осуществления этой реакции:

1. Медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд.
2. Быстрая самоподдерживающая термоядерная реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы.

3. Управляемая термоядерная реакция.
Неуправляемая термоядерная реакция — это водородная
бомба, взрыв которой происходит в результате ядерного взаимодействия:

приводящего к синтезу изотопа гелия Не3, содержащего в ядре два протона и один нейтрон, и обычного гелия Не4, содержащего в ядре два протона и два нейтрона. Здесь п — это нейтрон, а р — протон, Д — дейтерий и Т — тритий. При обеих реакциях Д + Д и Д + Т выделяется огромное количество тепла: один грамм газа, "сгорая", образует столько энергии, сколько получается при сгорании примерно 12 т угля! Реакции протекают при температуре 107—108 К. Поэтому удерживать столь высоко разогретую массу, состоящую из ядер, протонов и нейтронов (она получила
178

название плазмы), невозможно ни в каком котле, изготовленном из сколь угодно жаропрочного материала. Это обстоятельство оказалось главным препятствием на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.
Но уже в 1950-х годах наши отечественные физики первыми выдвинули и экспериментально обосновали принцип магнитной изоляции ядерной плазмы, которая позволяет уменьшить теплопередачу от плазмы к стенкам реактора. Впоследствии была сконструирована установка токамак — тороидальная камера магнитного удержания ядерной плазмы как ступень к решению задачи — управлению термоядерной реакцией.
Однако чем дальше углублялись в поиск решения этой задачи, тем больше появилось новых трудностей. И хотя ученые-физики нашей страны, США, Англии и других государств продвинулись в этом направлении довольно далеко, конечная цель, как они теперь полагают, может быть достигнута не ранее чем через сто лет.
Но существуют и другие препятствия на пути термоядерной энергии, главным из которых является возможный перегрев поверхности Земли в результате вьщеления тепла термоядерными реакторами. Собственно, речь идет о разумных экологических ограничениях производства термоядерной энергии в пределах не более чем 5% от солнечной энергии, поглощаемой Землей. Однако даже и в этих пределах производство термоядерной энергии поднимает разогрев земной поверхности на 3,7°. Считают, что разогрев выше этой предельной температуры может привести к существенному изменению климата всей нашей планеты, даже к всемирному потопу за счет таяния льдов Антарктиды и Гренландии. Так что нужны меры по поиску экологически безупречных и практически неисчерпаемых источников энергии.
Самой рациональной из таких мер является использование солнечной энергии. Эта мера никогда не приведет к перегреву Земли и к загрязнению ее атмосферы, поверхности и океанов. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 триллиона калорий тепла. Около половины его рассеивается и поглощается атмосферой и около 10% задерживается в капельно-жидких и пыле-
179

вых облаках (рис. 8.2). И все же остающаяся доля доходящей до поверхности солнечной энергии оказывается грандиозной, в десятки раз превышающей предельно допустимое производство термоядерной энергии.

Известные в настоящее время способы преобразования солнечной энергии в те виды, которые можно использовать в энергетике, условно делят на четыре типа: теплотехнические, физические, химические и биологические. Сегодня самыми распространенными являются теплотехнические способы. Но они находятся в зависимости от климатических условий, а их КПД при превращении тепловой энергии в электричес-
180

кую и механическую не превышает 5%. Физические преобразователи солнечной энергии, в основе которых находятся полупроводниковые фотоэлементы, пока не нашли широкого применения. Они используются в космических кораблях. А построенные на базе кремневых фотоэлементов в качестве опытных наземные электростанции выдают энергию, которая примерно в 100 раз дороже электроэнергии, получаемой на атомных станциях.
Биологическое преобразование солнечной энергии происходит в результате фотосинтеза, происходящего в растениях. Благодаря этому на Земле образовались ископаемые топлива. Хотя на фотосинтез расходуется менее одного процента от всей солнечной энергии, падающей на Землю, урожай зеленой массы растений за год по своей калорийности примерно равен добываемым за год из недр Земли горючим ископаемым.
В настоящее время стала актуальной задача химического преобразования солнечной энергии, т. е. аккумулирование и запасание солнечной энергии методом фотосинтеза. В этом отношении представляет интерес получение на основе преобразования солнечной энергии водорода из воды. Разрабатываемые ныне искусственные молекулярные фотокаталитические системы все более приближаются к природным фотосинтезирующим объектам не только по принципу их действия, но и по самой организации систем. Поэтому, возможно, в недалеком будущем удастся воспроизвести в искусственных условиях способность фотосинтезирующего аппарата растений запасать солнечную энергию в виде энергии химического топлива с одновременным выделением кислорода и КПД, близким к 40-50%. Во всяком случае, широкомасштабное преобразование солнечной энергии в энергию химических топлив поставлено на очередь дня. Водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом. Он удобен и для стационарной, и для транспортной энергетики. Бесспорно, это — универсальное топливо энергетики будущего.

8.4. Законы сохранения в природе

Томны мира, что я изложил
в сокровенной тетради,
от людей утаил я,
своей безопасности ради.
Никому не могу рассказать,
что скрываю в душе,
слишком много невежд в этом злом
человеческом стаде...
Омар Хайям

Открытие законов сохранения в природе началось с установления М. В. Ломоносовым и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга закона сохранения массы вещества. Закон сохранения массы в химических процессах формулируется следующим образом: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Количественным выражением закона сохранения массы вещества применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход):

где— соответственно массы твердых, жидких и
газообразных материалов, поступивших на обработку (приход материалов);
 — массы продуктов, получившихся в результате химической переработки (расход материалов).
Важным достижением на пути дальнейшего процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы — закона сохранения и превращения энергии. Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. К открытию они пришли разными путями. Формулировка закона сохранения и превращения энергии, согласно Гельмгольцу, следующая: приращение кинетической энергии тела равно убыли его потенци-
182

В структуру физической теории понятие энергии вошло в середине XIX в. при рассмотрении закона сохранения и превращения энергии в механике. Мерой изменения энергии в ряде случаев механики может быть определена работа. В этих случаях работа, совершаемая за счет уменьшения потенциальной энергии тела, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Эти случаи послужили основанием для формирования закона сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам. Этот закон звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. Необходимо отметить, что энергия сохраняется не только для изолированных (замкнутых) систем, но и для систем, находящихся во внешних полях, не изменяющихся во времени. Однозначное определение работы как меры изменения потенциальной энергии имеет место лишь для определенных типов полей, называемых потенциальными. Примерами таких полей могут служить гравитационное поле или электростатическое. Потенциальными считаются поля, работа сил которых не зависит от траектории движения тела в поле, а соответственно силы этих полей называют консервативными. В случае, если работа сил зависит от формы пути, или силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, силы трения, которые присутствуют во всех случаях, не являются консервативными. Следовательно, закон сохранения механической энергии имеет смысл лишь применительно к идеализированным ситуациям. Выяснение энергетических процессов с наличием сил трения привело и открытию закона сохранения и превращения энергии в тепловых явлениях. Причем это происходило в двух направлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом. Оформившись к середине XIX в.,
184

оба эти подхода к рассмотрению изменения состояния вещества с различных точек зрения дополняют друг друга, образуя единое целое. Работы Майера, Джоуля, Гельмгольца установили первое начало термодинамики, а Клаузиус и Томсон — второе начало термодинамики. Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты. Закон сохранения энергии в тепловых процессах утверждает, что величину внутренней энергии U можно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q)

Следует подчеркнуть важное значение установления эквивалентности теплоты и работы. Именно понимание количества теплоты как меры изменения внутренней энергии способствовало установлению закона сохранения и превращения энергии.
Установлению закона сохранения энергии и превращение энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращение других форм движения в тепловую энергию. Майер рассматривает положение о сохранении и превращении энергии в природе на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.
Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной тока и сопротивления проводника.
Итак, на протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
185

Дальнейшее развитие основополагающих закономерностей природы получило развитие в специальной теории относительности Эйнштейна, который приходит к заключению: "Если тело отдает энергию Е в виде излучения, то его масса уменьшается на Е/с2... Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии". Позднее он формулирует следующий важный вывод специальной теории относительности: "масса и энергия эквивалентны друг другу"; появляется знаменитая формула Эйнштейна, связывающая энергию и массу:

где m0 — масса покоя, Е0 = m0 с2 — энергия покоя тела.
До создания специальной теории относительности законы сохранения энергии и массы рассматривались как два самостоятельных закона сохранения. Теперь же оба эти закона слились в один. По выражению Эйнштейна, масса должна рассматриваться как "сосредоточие колоссального количества энергии". Таким образом, теперь мы можем сказать, что фундаментальным законом природы является закон сохранения массы и энергии. Специфической особенностью применения закона сохранения энергии в ядерной физике и физике элементарных частиц является необходимость учета изменения энергии покоя, и следовательно, массы взаимодействующих тел.
Часто, говоря о преобразовании энергии покоя в кинетическую, называют этот процесс "превращением массы в энергию". Можно ли так говорить? Верно, это или нет? Строго говоря, неверно, так как в подобном процессе энергия и масса преобразуются не друг в друга, а каждая в свою другую форму; энергия покоя Е0 — в кинетическую энергию; масса покоя m0 — в другую форму массы, которую мы с вами условно называли кинетической массой. В обоих преобразованиях сохраняется полное значение как энергии, так и массы. Но протекают эти преобразования таким образом, что возрастанию кинетической энергии от первоначального значения до конечного
186

значения соответствует эквивалентное убывание энергии покоя от первоначального значения до конечного значения. А так как масса и энергия связаны соотношением Е = mс2, то убывание энергии покояпроявляется как уменьшение массы покоя
m0 на величинуи называется она дефектом массы.
В результате создается впечатление о "превращении массы в кинетическую энергию".
Согласно закону сохранения энергии, полная энергия Е остается неизменной при любых процессах, однако этот закон не запрещает превращение энергии из одной формы в другую. В принципе возможны как процессы превращения энергии покоя Е0 в кинетическую энергию, так и обратный процесс преобразования кинетической энергии в энергию покоя. В соответствии с соотношением Е = mс2 первый процесс должен сопровождаться уменьшением массы ("превращением массы в энергию"), а второй — увеличением массы ("превращением кинетической энергии в массу"). Особенно заманчивым является процесс преобразования энергии покоя в кинетическую энергию ("превращение массы в энергию").
Мерой механического движения тела является количество движения, или импульс, определяемый как произведение его массы m на скорость v. Импульс Р является векторной величиной, направленной так же, как скорость точки. В случае механической системы импульс ее определяется как геометрическая сумма импульсов всех ее точек или произведение массы всей системы на скорость ее центра масс.

где m — масса всей системы, а — скорость ее центра масс.
Изменение импульса системы происходит под действием только внешних сил, т. е. сил, действующих на систему со стороны тел, не входящих в эту систему. Одним из важных законов природы является закон сохранения импульса, который утверждает, что импульс замкнутой системы не изменяется с течением времени. Для замкнутой системы, в которой не испы-
187

тывает внешних воздействий или когда геометрическая сумма действующих на систему внешних сил равна нулю, импульс системы сохраняется постоянным. Отсюда следует также, что при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, скорость ее центра инерции сохраняется неизменной. Для материальной точки закон сохранения импульса означает, что в отсутствие внешних сил она движется с постоянной скоростью по прямой линии.
Если система не замкнутая, но равнодействующая внешних сил равна нулю, то импульс системы остается постоянным так же, как если бы внешних сил не было совсем. Обычно приходится иметь дело с незамкнутыми системами, для которых равнодействующая внешних сил отлична от нуля и импульс системы не постоянный. Однако если проекция главного вектора внешних сил на какую-либо ось, неподвижную относительно инерциальной системы отсчета, тождественно равна нулю, то проекция на эту же ось вектора импульса системы не зависит от времени. Этот закон называют законом сохранения проекции импульса.
Основополагающим является также закон сохранения момента импульса системы (тела). В классической механике моментом импульса частицы (моментом количества движения) называют векторное произведение:

где r, Р — радиус-вектор и вектор импульса частицы.
Этот закон утверждает, что момент импульса замкнутой системы тел относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени. Если момент внешних сил относительно неподвижной оси вращения тела тождественно равен нулю, то момент импульса тела относительно этой оси не изменяется в процессе движения.
Данный закон может быть обобщен на любую незамкнутую систему тел: если результирующий момент всех внешних сил, приложенных к системе, относительно какой-либо неподвижной оси равен нулю, то момент импульса системы относительно той же оси не изменяется с течением времени. В частности, этот закон справедлив для замкнутой системы тел.
188

В электрических явлениях фундаментальным является закон сохранения электрического заряда. Для замкнутой системы частиц суммарный электрический заряд системы со временем не изменяется, т. е. остается постоянным.
Наиболее ярко проявление законов сохранения мы наблюдаем в мире элементарных частиц. Здесь действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращение частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона, например, объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд; поэтому он стабилен. Существует много специфических параметров, сохранения которых регулирует взаимопревращение частиц, — барионный заряд, лептонный заряд, четность (пространственная, временная, зарядовая), странность, очарование и др. Некоторые из них не сохраняются в процессах, обусловленных слабым взаимодействием (четность, странность, "очарование").
Согласно, например, закону сохранения барионного заряда, в любом процессе должна оставаться неизменной разность между числом барионов и антибарионов. Протон—барион с наименьшей массой; следовательно, среди продуктов его распада барионов быть не может. Этим объясняется стабильность протона — его распад приводил бы к некомпенсированному уничтожению бариона.

8.5. Законы сохранения и принципы симметрии

Мы рады той таинственности, которая находится за пределами нашей досягаемости.
Харлоу Шепли

Среди всех физических законов своей всеобщностью, высшей степени фундаментальностью выделяются законы со-
189

хранения энергии импульса, момента импульса и ряда других величин. Своим происхождением эти законы сохранения обязаны свойствам симметрии природы. Немецкий математик Эмми Нетер доказала в 1918 г. теорему, сущность которой заключается в утверждении, что различным симметриям физических законов соответствуют определенные законы сохранения. Свойства симметрии природы выражаются в неизменности вида физических законов, т. е. в их инвариантности, при некоторых преобразованиях. Тем самым была математически доказана связь между законами сохранения и симметрией законов природы. По выражению Р. Фейнмана, "среди наиболее мудрейших и удивительных вещей в физике эта связь — одна из самых интересных и красивых".
Симметрия предполагает неизменность объекта или свойств объекта по отношению к каким-нибудь преобразованиям, операциям, выполняемым над объектом. Слово это греческое и переводится как "соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей". Симметрию можно понимать в геометрическом смысле — как симметрию положений. Например, рассмотрение объектов по отношению к отражениям, поворотам, переносам. Симметрия имеет определенную структуру, состоящую из трех факторов: 1) объект или явление, симметрия которого рассматривается; 2) изменение или преобразование, по отношению к которому рассматривается симметрия; 3) инвариантность или неизменность, сохранение каких-либо свойств объекта, выражающих рассматриваемую симметрию.
Важное значение имеет симметрия физических законов, которые в основном связаны со свойствами пространства и времени. Остановимся более подробно на физическом содержании свойств законов по отношению к преобразованиям фундаментальной симметрии.
1. Симметрия по отношению к сдвигу начала отсчета времени, или свойство однородности времени, проявляется в физическом эквиваленте разных его моментов. Разные моменты времени эквивалентны в том смысле, что любой физический
190

процесс протекает одинаковым образом независимо от того, когда он начался. При этом условия, существенные для процесса, в будущем должны быть такие же, как и в прошлом. Свойство однородности времени позволяет сравнить результаты опытов, проделанных в разное время. Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. Мы считаем, что изученные закономерности в поведении атомов были теми же самыми и многие миллионы лет тому назад. Отсутствие однородности времени вело бы к тому, что люди не могли бы прогрессировать в познании.
Однородность времени, т. е. симметрия по отношению к преобразованию t = t0 + t', приводит к закону сохранения энергии. Этот закон выполняется для систем, находящихся в неизменных во времени внешних условиях. Такие условия создаются только потенциальными внешними полями и называются стационарными. Действительно, выбор начала отсчета времени несущественен, если только неизменны во времени внешние условия, в которых находится система. Энергия, таким образом, может быть определена как физическая величина, сохранение которой обусловлено указанной симметрией.
2. Симметрия по отношению к сдвигу начала координат, или свойство однородности пространства, означает, что все точки физического пространства эквиваленты. Эта эквивалентность выражается в том, что явление, произошедшее в одной области пространства, повторится без изменений, если будет вызвано в другом месте. При этом необходимо перенести в новое место всю совокупность факторов существенно обусловливающих явление. Отметим, что надо сравнивать результаты одинаковых экспериментов, поставленных в разных лабораториях.
Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т. е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом.
191

Так, мы совершенно уверены, что свойства атомов у нас на Земле, в условиях Луны, других планет и на Солнце одни и те же. Если бы эти кажущиеся столь очевидными свойства однородности пространства и времени отсутствовали, то было бы почти бессмысленно заниматься наукой. В самом деле, представьте себе, к чему бы вело отсутствие однородности пространства — законы физики в Москве были бы одни, в Махачкале — другие.
Однородность пространства, т. е. симметрия по отношению к преобразованию сдвига , приводит к закону сохра-
нения импульса.
Закон сохранения импульса соблюдается для изолированных систем. Импульс, или количество движения, таким образом, является физической величиной, сохранение которой связано с однородностью пространства.
3. Симметрия по отношению к повороту координатных осей,
или свойство изотропности пространства, есть физическая эк
вивалентность направлений в пространстве. Она выражается
в том, что в повернутой установке, аппаратуре, лаборатории и
т. д. все процессы протекают точно так же, как и до поворота.
При этом повороту должно быть подвергнуто все, определяющее
течение процесса.
Изотропность пространства, т. е. симметрия по отношению к поворотам, приводит к закону сохранения момента импульса. Этот закон также соблюдается для изолированных систем. Момент импульса частицы или системы сохраняется также центрально-симметричным силовым внешним полем. Момент импульса является величиной, сохранение которой связано с изотропностью пространства.
4. Симметрия по отношению к переходу от покоя к состоя
нию равномерного и прямолинейного движения, или свойство
галилеевской (нерелятивистской) инвариантности, заключается
в физической эквивалентности покоя и равномерного прямоли
нейного движения. В любой системе все процессы происходят
независимо от того, покоится система или движется равномерно
и прямолинейно, если только переход от одного состояния к дру
гому осуществляется со всем существенным окружением.
192

Вследствие однородности пространства и времени движение свободного тела (тело, настолько удаленное от всех окружающих тел, что можно пренебречь его взаимодействием с ними) будет равномерным, т. е. за равные промежутки времени тело должно проходить равные расстояния; оно будет к тому же и прямолинейным, ибо пространство "плоское" — Евклидово. Такое движение свободных тел называют движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление своеобразной симметрии пространства и времени, их однородности.
Симметрия относительно перехода к движущейся системе отсчета, т. е. по отношению к преобразованиям Галилея, в нерелятивистском случае приводит к закону сохранения инерции. Он выполняется только для изолированных систем. Закон сохранения импульса недостаточен для обоснования закона сохранения центра инерции. Необходимо знать связь между импульсом и скоростью. Эта связь устанавливается с использованием фундаментальной симметрии относительно переходов от состояния покоя к равномерному прямолинейному движению. Выполнение всех этих законов сохранения в изолированной системе означает эквивалентность всех инерциальных систем, провозглашаемую принципом относительности.
Трехмерность пространства предопределяет векторную природу импульса и момента импульса; закон сохранения этих величин — векторные законы. Одномерность времени предопределяет скалярную природу энергии и соответствующего закона сохранения.
Тот факт, что закон сохранения энергии вытекает из однородности времени, означает, что течение времени само по себе не может вызвать изменение физических состояний системы. Связь закона сохранения импульса со свойством однородности пространства означает, что перемещение системы недостаточно для изменения ее состояния; последнее может произойти только в результате взаимодействия данной системы с другими системами. Связь закона сохранения момента импульса со свойством изотропности пространства означает, что поворот системы в пространстве не изменяет ее свойств.
193

В классической механике законы сохранения выводят из законов движения. Так, для получения закона сохранения импульса используют второй и третий законы Ньютона. Однако законы сохранения могут быть получены не на основе законов движения, а непосредственно из принципов симметрии. Область применимости законов сохранения шире, нежели область применимости тех или иных законов движения. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса применяются не только в классической механике, но и в квантовой; в то время как законы динамики Ньютона в квантовой механике не работают. Для тех, кто выводит законы сохранения из принципов инвариантности, ясно, что область применения этих законов выходит за рамки любых частных теорий (гравитации, электромагнетизма и т. д.), практически обособленных друг от друга в современной физике. Очевидно, что область применения законов сохранения должна быть столь же широка, как и область применения соответствующих принципов инвариантности. Это дает основание считать законы сохранения универсальными законами.
5. Симметрия относительно зеркального отражения означает, что физические законы не меняются при замене левого на правое, а правого на левое. С симметрией законов природы относительности отражения или частиц и античастиц связаны определенные законы сохранения. С первой симметрией связано сохранение физической величины, называемой пространственной четностью, а со второй — сохранение величины, называемой зарядовой четностью. Оба этих закона сохранения не вполне универсальны, поскольку соответствующие им симметрии нарушаются в слабых взаимодействиях.
Законы сохранения занимают в естествознании особое место. Существует следующая точка зрения на эти законы: они представляют собой наиболее глубокие, фундаментальные законы природы, к которым, возможно, сведутся в будущем все закономерности естествознания. В нашем знании о мире есть три последовательные ступени. На низшей ступени находятся явления, на следующей — законы природы, на третьей — принципы симметрии. Законы природы позволяют предсказать
194

явления, принципы симметрии позволяют предсказать законы природы. Прогресс в научном познании мира основывается, в конечном счете, на познании принципов симметрии. Но при этом необходимо иметь в виду не просто симметрию, а симметрию в диалектической взаимосвязи с асимметрией.

ВЫВОДЫ

1. Все то, из чего состоит окружающая нас известная сейчас и познаваемая нами часть Вселенной, называют материей. Философское определение материи — это объективная реальность вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Материя существует в различных формах (например, вещество, поле).
2. Вещества Вселенной при различных температурах и давлениях могут находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном.
3. Мерой различных форм движения материи является энергия. Она бывает в различных видах: механическая, тепловая, внутренняя, химическая, электрическая, магнитная, солнечная, атомная, ядерная, термоядерная и др.
4. Фундаментальными законами природы являются законы сохранения. Существуют законы сохранения различных величин: массы, энергии, количества движения, момента количества движения, заряда и др.
5. В природе существуют принципы симметрии объектов и физических законов. Различным симметриям физических законов в природе соответствуют определенные законы сохранения. Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени. Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Закон сохранения момента импульса есть следствие изотропности пространства.

Вопросы для контроля знаний

1. В чем качественная особенность философского определения материи от естественно-научного его понимания?
2. Какими всеобщими свойствами обладает материя?
3. Какие основные формы и виды, материи вы знаете?

195

Комментарии (2)
Обратно в раздел Наука