ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ
Вселенная состоит повсюду из одних и тех же атомов, элементарных частиц, поведение которых описывается одними и теми же законами на протяжении всего времени наблюдений.
В основном эти законы суть законы сохранения. Вам известны законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда, которые выполняются в макро– и микромире. Есть законы сохранения некоторых особых характеристик элементарных частиц. Есть законы сохранения, соблюдаемые только в макромире при обычных условиях, например, сохранение массы или количества вещества.
С другой стороны, поведение элементарных частиц вовсе не похоже на что-либо известное нам из обыденной жизни. Сталкиваются две частицы – в результате рождаются новые. Осколков или «пыли» не бывает. Столкновения не разрушительны, а созидательны. Взаимодействия элементарных частиц в сущности своей обратимы. Электрон с позитроном, к примеру, могут аннигилировать, породив два фотона, но и фотон в свою очередь может «породить» электрон-позитронную пару.
При этом все реакции протекают по законам сохранения энергии, импульса, электрического заряда и некоторых других характеристик, которые не рассматриваются в средней школе. Законы сохранения по сути дела и обеспечивают обратимость всех процессов и взаимодействий.
НЕОБРАТИМЫЕ ЗАКОНЫ МАКРОМИРА
В отличие от микромира в макромире действуют не только законы сохранения. Имеют место и законы разрушения и уничтожения некоторых качественных характеристик материи. Более понятно ту же мысль можно выразить так: в макромире самопроизвольно идут необратимые процессы, т.е. такие, которые протекают только в одну сторону. И первый из таких законов мы обнаруживаем на уровне ядерных реакций.
1. Ядерные потенциалы
Как известно, ядро любого атома состоит из соединенных протонов и нейтронов. Соединяются эти частицы в ядрах атомов особым взаимодействием, получившим название «сильного». Это не гравитационное и не электрическое, а совершенно особое притяжение. Оно сильнее электрического (кулоновского) отталкивания на малых расстояниях, но очень быстро ослабевает с ростом расстояния между нуклонами в ядре. Легкие ядра «не прочь» захватить к себе лишний нуклон, если он окажется достаточно близко к ядру (в плазме при температурах порядка десятков миллионов градусов или при бомбардировке ядер в ускорителях). При этом «захвате» выделяется большая энергия «сильного» взаимодействия, подобно тому, как при падении камня на землю, только гораздо больше.
Соответственно, для того, чтобы «разорвать» легкое ядро на нуклоны, необходимо затратить большую энергию. Энергия, необходимая для отрыва одного нуклона, может быть посчитана и нанесена на график зависимости ее от заряда ядра (рис. 1). Этот график имеется в школьном учебнике физики. Для легких элементов мы видим нарастание энергии отрыва нуклона от ядра с ростом его заряда.
Для тяжелых же элементов, ядра которых содержат сотни нуклонов, ситуация иная. Расстояния между нуклонами в таком ядре значительно больше, чем в легком, а суммарное электростатическое расталкивание большого количества протонов – тем более. Это приводит к одновременному ослаблению «сильного» притяжения и увеличению сил отталкивания. Поэтому тяжелые ядра становятся неустойчивыми, и после урана – все элементы радиоактивны и не встречаются в природе. Для разрушения такого ядра энергия не требуется, напротив, она выделяется при радиоактивности и делении тяжелых ядер. Эта энергия весьма значительна. Она имеет порядок нескольких миллионов электрон-вольт на каждый нуклон ядра. Энергия химической связи примерно в миллион раз меньше порядка единиц электрон-вольт на атом. Энергия ядерной связи выделяется при распаде ядер на атомных станциях и в атомной бомбе, а также в водородной бомбе – при синтезе ядер изотопов водорода в гелий. Такая же реакция протекает в звездах, обеспечивая их излучение.
Все эти сведения сообщает нам школьный учебник физики (11 класс). Но вывода из этих рассуждений и из этого графика не делается. А вывод таков, что существует наиболее стабильное состояние атомного ядра – в середине таблицы Менделеева. Такие ядра расколоть труднее всего – нужно затратить наибольшую энергию. Отсюда же следует, что при высоких температурах, когда идут термоядерные реакции, все легкие элементы могут синтезироваться только до средних: водород переходит в гелий, гелий – при уже большей начальной температуре и с меньшим выделением энергии – перейдет в углерод и т.д. Для каждой следующей реакции нужно повышать начальную температуру, а энергии будет выделяться все меньше. Такой процесс неизбежно должен прекратиться. Тяжелым же ядрам еще проще без всякого дополнительного подвода энергии распадаться до средних ядер.
Возникает вопрос: почему еще не все легкие элементы в звездах исчерпаны, ядерные реакции еще идут, причем самые первые – выгорает водородное ядерное горючее? Другой вопрос: откуда в природе появились тяжелые элементы и почему они еще до сих пор существуют несмотря на постоянный распад?
Всякий необратимый процесс в природе, который мы наблюдаем, ставит нас перед этими двумя вопросами: во-первых, он должен был иметь начало – когда оно было? Во-вторых, он должен иметь и конец – когда он будет и почему мы еще его не видим? Более распространенного во Вселенной процесса, чем термоядерный синтез, очевидно, не существует. Итак, почему наша Вселенная не состоит только из железа, если она всю свою бесконечную историю подчиняется существующим в ней теперь законам? Значит, несомненно, она имела свое начало, внешнюю Причину своего бытия. Впрочем, подробнее этот вопрос будет рассмотрен на втором уроке.
Но, может быть, выделяемая при ядерных реакциях энергия каким-то образом вновь возвращается на поворот реакции в обратную сторону, образуя что-то вроде всемирного колебания материи из химического разнообразия к устойчивым средним элементам, а затем обратно? Рассмотрим же и законы передачи энергии.
2. Второе начало термодинамики
В учебнике физики для 10 класса этот закон дан в предельно сжатой форме без каких-либо мировоззренческих выводов. Простейшая формулировка его такова: самопроизвольно тепло может передаваться только от горячего тела к холодному. Иначе это же положение можно выразить так: невозможно осуществить циклический процесс, в котором тепло, подводимое к рабочему телу перешло бы полностью в какой-либо иной вид энергии (не тепловую).
Оказывается, что закон сохранения энергии справедлив лишь с количественной стороны. Он гласит, что
а) энергия не возникает из ничего;
б) энергия не исчезает бесследно, но лишь переходит из одной формы в другую, она неуничтожима количественно.
Второе начало термодинамики вносит сюда новую дополнительную поправку: не будучи уничтожимой количественно, энергия уничтожима качественно, то есть существует некая предпочтительная форма энергии, в которую стремятся перейти все прочие виды, притом перейти необратимо.
Школьный курс физики сообщает нам, что замкнутые системы всегда стремятся к тепловому равновесию, что достигается переходом тепла от горячих тел к холодным, но не обратно. Возможно, конечно, осуществление холодильного процесса, когда тепло от холодного тела отводится и передается нагретому, но это всегда должно сопровождаться передачей еще большего тепла от горячего тела к холодному и к тому же требуется затрата механической работы. На этом основано устройство холодильника.
Тепловая энергия есть энергия беспорядочного движения молекул. Ее можно было бы полностью преобразовать, положим, в механическую, если бы все молекулы в какой-то момент двинулись в строго определенном направлении, и в этом направлении толкнули бы, скажем, какой-то поршень. Тогда внутренняя энергия газа перешла бы полностью в механическую работу. Но такое распределение скоростей молекул по направлениям (хотя любая из них может в какой-то свой момент времени двигаться в данном направлении) совершенно невероятно, ибо каждая молекула должна «угадать» одно-единственное направление и все это должно произойти одновременно с огромным множеством молекул.
Итак, тепловая энергия никогда не перейдет нацело в механическую, электрическую или какую-либо иную энергию упорядоченного движения. Зато всякая другая энергия переходит в тепловую полностью, и притом легче всего именно в тепло, а не в какой-то иной вид энергии. В реальных процессах преобразования одной нетепловой энергии в иную нетепловую всегда возникают бо́льшие или меньшие тепловые потери, то есть «первосортная» энергия стремится «растратиться» на тепло, или «испортиться», сохраняя лишь общее свое количество. Если энергия вообще не передается, то в самом лучшем случае она сохраняется в прежнем своем качестве.
