В.Ю.Ирхин, М.И.Кацнельсон

Уставы небес. 16 глав о науке и вере (Часть 2)

симметрии ). Так, закон сохранения импульса оказывается следствием однородности пространства, закон сохранения момента импульса (момента количества движения) - изотропности пространства, а закон сохранения энергии - следствием однородности времени. В общей теории относительности Эйнштейна, где пространство и время неоднородны и искривлены (это искривление и есть гравитация, см. главу 11), ситуация с законами сохранения оказывается чрезвычайно сложной. В определенном смысле они обращаются в тождество, то есть сводятся к равенству 0 = 0 (говоря более формально, речь идет о так называемых тождествах Бианки тензорного анализа). В конечном счете, в общей теории относительности не удается ввести плотность энергии и импульса гравитационного поля в том же смысле, как, скажем, для электромагнитного поля (последнее характеризуется тензором энергии-импульса, а гравитационное поле - псевдотензором). Это послужило основой для попыток пересмотреть общую теорию относительности, заменив ее полевой теорией гравитации (в работах А.А. Логунова и его сотрудников); последующая дискуссия показала, однако, что для такого пересмотра все же нет ни теоретических, ни экспериментальных оснований. Мы не имеем возможности обсуждать здесь эти весьма специальные вопросы; важно лишь подчеркнуть, что формулировка закона сохранения энергии в присутствии гравитационного поля оказывается весьма нетривиальной задачей.

Другие нетривиальные проблемы связаны с законом сохранения энергии в квантовой физике. Этот закон является строгим в том смысле, что если сравнивать сумму энергий всех частиц до и после взаимодействия (то есть в бесконечном прошлом и бесконечном будущем), то она совпадет. Если же мы рассматриваем процесс, происходящий за конечное время, то энергия сохраняется в квантовой механике лишь с определенной точностью, которая тем меньше, чем короче этот процесс. Математическим выражением этого является принцип неопределенности энергия-время. Несмотря на его внешнее сходство с принципом неопределенности координата-импульс (невозможность определить скорость и координату частицы в один и тот же момент времени, см. главу 10), его физический смысл совершенно иной. Квантовая частица, строго говоря, просто не имеет определенного значения (и даже направления) скорости, так как движется по всем траекториям сразу. В то же время стабильная частица имеет определенное значение энергии, просто для измерения его требуется достаточно большой промежуток времени. Нестабильная частица действительно не имеет строго определенной энергии; разброс в значениях ее энергии обратно пропорционален времени жизни этой частицы. Важно, однако, подчеркнуть, что если мы рассматриваем процесс, происходящий в ограниченной области пространства в ограниченный промежуток времени (в пределе - здесь и сейчас), законы сохранения для такого процесса выполняться не будут. С этим связано важнейшее для современной физики понятие виртуальных частиц. Пусть, например, некая частица (для определенности, протон) родила из вакуума другую частицу (для определенности, пи-мезон). Так как последняя обладает массой, и, следовательно, энергией покоя, то такой процесс нарушает закон сохранения энергии. Если этот пи-мезон будет поглощен другим протоном через достаточно короткий промежуток времени (определяемый соотношением неопределенности), то это нарушение допустимо и возможно. Такой процесс лежит в основе мезонной теории ядерных сил, предложенной японским физиком Х. Юкавой. Сейчас она заменена более изощренными схемами с участием кварков и переносчиков взаимодействия между ними - глюонов, но общая идея Юкавы остается совершенно правильной. При этом обмен массивными виртуальными частицами может происходить лишь на малых расстояниях. Дальнодействующие же силы - электромагнитные и гравитационные - с этой точки зрения могут рассматриваться как обмен безмассовыми (движущимися со скоростью света) частицами - соответственно, фотонами и гравитонами.