1. Законы сохранения в классической физике

А. Масса и закон ее сохранения

Закон сохранения массы является исторически первым из законов сохранения, познанных человеком. Это и понятно, так как прежде всего человек имеет дело непосредственно с различными видами вещества, а свойства его движения требуют для своего познания уже более высокого уровня общественной практики; как говорит Гегель, "то, что есть первое в науке, должно было оказаться и исторически первым" (2, 29, 95). По поводу этого утверждения Гегеля В. И. Ленин замечает: "Звучит весьма материалистично!" (2, 29, 95).

Догадки о существовании некоего всеобщего принципа сохранения вещества как синонима материи восходят еще к философам Древней Индии, Китая, откуда они проникли в античный мир. Так, Эмпедокл считал, что ничто не может происходить из ничего и ничто не может быть уничтожено. Эту же идею высказывал Демокрит. По Аристотелю, материя не происходит из ничего, не подлежит умножению или уменьшению, не создается и не исчезает, а лишь изменяется. Идеи о вечности материи излагаются у Лукреция Кара в его знаменитом произведении "О природе вещей". Такие же представления лежат в основе всех атомистических учений (Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар, Гассенди, Ломоносов, Дальтон).

Практические потребности привели к необходимости сопоставления предметов друг с другом, к избранию в качестве эталонов, с которыми можно было бы их сравнить, тел наиболее постоянных, устойчивых, сохраняющихся. Со временем были изобретены весы, которыми пользовались как в быту, торговле, так и для научных исследований.

Еще при зарождении ремесел в Древнем Египте пользовались весами. Все дальнейшее развитие химических знаний было неразрывно связано с их применением. В основе использования весов лежит допущение о сохранении веса (понятие массы еще отсутствовало) эталона. Здесь мы видим пример того, как на протяжении многих веков стихийно, неосознанно используются законы природы, существо которых еще не стало достоянием науки.

К началу нового времени в результате накопления большого количества опытных фактов были сделаны определенные выводы о существовании некоей величины, которая сохраняется при химических превращениях. Сначала в качестве такой величины фигурировал вес. Так, Парацельс (1493-1541) советует пользоваться весами в физических и химических экспериментах, так как "вес не обманывает". По выражению Ван-Гельмонта (1577-1644), "вещество ничего не теряет, но только принимает другую форму". Бэкон в 1620 г. высказывает мысль о том, что ничто из ничего не делается, ничто не уничтожается. Истинное количество вещества или полная его сумма остается постоянной, не увеличиваясь и не уменьшаясь. Химик Жан Рей в 1630 г. пишет: "Вес так тесно связан с первоначальной материей элемента, что при всех превращениях всегда остается тем же самым". Мариотт в 1680 г. указывал: "Природа ничего не производит из ничего, материя не теряется". Мы видим, как постепенно складывается понятие о том, что вес есть лишь внешнее проявление сущности вещества, и внимание переносится на более существенное - на количество вещества. Так исторически подготавливаются условия для возникновения понятия массы.

Формирование понятия массы и формулирование закона ее сохранения становится необходимым не только на основании непосредственного изучения свойств вещества, но также из общих философских соображений о неуничтожимости всего сущего, являющихся результатом обобщения всей суммы положительных знаний, подтвержденных общественной практикой.

Сохранение массы при химических реакциях впервые в истории было экспериментально доказано в 1755 г. М. В. Ломоносовым.

Долгое время этому закону сохранения не придавали особого значения, его считали самоочевидным, само собой разумеющимся. В 1789 г. Лавуазье пишет: "Ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что при всякой операции имеется одинаковое количество материи до и после операции, что качество и количество начал те же самые, что произошли лишь изменения, перемены. На этом основано все искусство делать опыты в химии..." (86, 505-506).

Работы Ломоносова и Лавуазье положили начало сознательному применению закона сохранения вещества во всех химических и физических экспериментах, а также в теоретических исследованиях. Этот закон сохранения становится фундаментом всей классической механики и основным законом химии.

Количественный анализ, а также атомистическая гипотеза Хиг-гинса, а затем Дальтона целиком построены на законе сохранения всего вещества, ибо вес атомов Дальтона не изменяется при химических реакциях, как и их число. В то же время продолжается своеобразное "игнорирование" этого основного закона химии вплоть до 60-х годов XIX в., когда Стае произвел тончайшие химические анализы для проверки гипотезы Праута о том, что все элементы образованы из водорода. Наконец, в 1910 г. вышел труд Ландольта "О сохранении массы в химических взаимодействиях", где указывалось, что в пределах точности эксперимента не наблюдалось ни одного случая изменения массы в процессе химического превращения.

Однако абсолютность этого закона сохранения нарушается в процессах, описываемых в специальной теории относительности. Абсолютным и всеобщим оказывается объединенный закон сохранения массы и энергии, который с определенной степенью точности отражает неуничтожимость материи и движения.

Рассмотрим более обстоятельно вопрос о содержании понятия массы. В конце XVII в. Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он сформулировал закон тяготения не только благодаря своему математическому гению, но и благодаря своим стихийно-материалистическим философским воззрениям на природу материи. Атомистические представления дали ему возможность ввести понятие массы.

Ньютон не сводил понятие материи к понятию массы. Для Ньютона понятие материи, несомненно, более широкое, более всеобщее, чем масса, которая есть лишь одна из характеристик материи.

В нашей физической и частично в философской литературе распространено убеждение, что Ньютон отождествлял понятие массы, т. е. физической характеристики, и материи. Источник этого мнения в неточном переводе ряда мест из основного научного труда Ньютона "Математические начала натуральной философии".

В 1957 г. В. Г. Фридман показал эту неточность, допущенную академиком А. Н. Крыловым (100, 23) при переводе некоторых мест из работы Ньютона, детально проанализировал первоисточники и сформулировал подлинно ньютоновское определение массы следующим образом: масса есть мера материи, возникающая совместно из ее плотности и объема. Отсюда следует, что Ньютон рассматривал массу как специфическую общую меру материи, связанную лишь с пространственными размерами тела и его плотностью, и что нет оснований для утверждений о том, что Ньютон отождествлял массу и материю.

Рассматривая взаимодействие астрономических объектов, Ньютон показал, что сила взаимодействия между ними

где G - постоянная тяготения, m₁ и m₂ - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между ними. Массы m₁ и m₂ называются гравитационными массами.

Теперь мы знаем, что закон всемирного тяготения Ньютона явился первым, но достаточно хорошим приближением в отражении гравитационных взаимодействий. Он дает количественную интерпретацию гравитационных процессов, что и привело к понятию гравитационной массы. Это понятие включает в себя качественную и количественную характеристики тел, находящихся в поле тяготения, и его глубокое содержание будет раскрыто при дальнейшем изучении тяготения.

Следующий шаг в развитии понятия массы был сделан также Ньютоном, когда он, анализируя процесс движения макроскопических тел, открыл три основных закона механики: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние; изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует; действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе говоря, действия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Раскрывая смысл инерционного движения по прямой линии, необходимо показать связь этого закона с законом сохранения количества движения (mv, где m - масса, a v - скорость). При неизменной массе (она называется инерционной массой) это означает, что если на тело не действуют внешние силы, то имеет место сохранение скорости. Второй закон можно сформулировать следующим образом:

где Δ(mv) - изменение количества движения; F - сила; Δt - время, в течение которого происходит изменение данного количества движения. Для сравнительно малых скоростей, когда m≈const, можно записать:

где а - ускорение, т. е. дать количественное выражение для массы двигающегося тела, зная величину движущей силы и полученного телом ускорения. Действие второго закона механики Ньютона основано на том, что сила связана с инертными свойствами, присущими любому телу,

часто трактуется как пример того, что масса есть лишь коэффициент между силой и ускорением. Конечно, величину массы можно определить исходя из этой формулы, но за математическими отношениями надо искать реальные физические свойства материальных объектов и реальные физические связи, отображаемые понятием массы.

В конце XIX в. Мах пытался критиковать ньютоновское определение массы, стараясь устранить из него материалистическое содержание. В науке Мах видел лишь экономную запись опыта. Он отрицал связь массы с понятием материи и понятием инерции. Инерция, по его мнению, лишь словесное выражение опытного факта пропорциональности силы и ускорения. Отождествив инерцию с определенной связью силы и ускорения, взятой из опыта, Мах отрицает возможность раскрыть физическое содержание понятия массы и истолковывает массу как коэффициент пропорциональности. Однако махистские представления не встретили поддержки физиков, в подавляющем своем большинстве стоявших на стихийно-материалистических позициях.

Изучая явления инерции, физики пришли к выводу, что каждое физическое тело обладает свойством определенным образом изменять свою скорость под влиянием данного воздействия, что выражается некоторой физической величиной, называемой инертной массой. Тщательные исследования показали, что инертная и гравитационная массы численно равны друг другу и являются как бы двумя проявлениями одного и того же свойства тел. Как известно, тождественность инерционной и гравитационной масс положена в основу общей теории относительности Эйнштейна, в которой геометрические свойства пространства связаны с распределением наличных масс.

К концу XIX в. на основе опытных данных у ряда физиков начало складываться представление о том, что масса тела при его движении не остается постоянной, а зависит от скорости движения. В 1881 г. Д. Томсон впервые высказал и попытался теоретически обосновать мысль о том, что вся масса электрона электромагнитного происхождения. Его предположения основывались на следующем: покоящийся электрон обладает лишь электростатическим полем - если его привести в движение, то возникает магнитное поле, на создание которого надо затратить дополнительную работу. Если затормозить электрон, то, по правилу, установленному русским ученым Ленцем, возникает дополнительное электрическое поле, которое будет стремиться ускорить тормозящийся электрон. Происходит так, как если бы с полем электрона была бы связана дополнительная инерция. Поэтому импульс электрона можно рассматривать как сумму механического (Рт) импульса и импульса (Ре), обусловленного реакцией поля:

По второму закону Ньютона

где m = m_m+m_e; если мы представим р_е как произведение m_ev, то те будет электромагнитной массой.

Рассмотрим электрон, двигающийся со скоростью v. Его можно рассматривать как элементарный ток плотностью ev. Он будет создавать магнитное поле:

на расстоянии r. Плотность энергии этого поля есть H²/8π, а энергия в элементе dτ:

Если считать, что электрон - шарик радиуса г о с поверхностным равномерно распределенным зарядом е, то можно отыскать полную энергию магнитного поля:

Добавочная масса определится из условия

Если предположить другое распределение заряда, то изменится только численный коэффициент:

Если предположить, что m_m = 0, то получается, что вся масса электромагнитного происхождения. Это предположение, казалось бы, подтверждалось тем, что формула для зависимости массы от скорости, где m₀- масса покоя; v - скорость; с - скорость света в вакууме:

где β = v/c, найденная Лоренцем на основании гипотезы о чисто электромагнитной природе массы, дает хорошее соответствие опыту. В. И. Ленин придавал огромное значение открытию электромагнитного характера массы электрона и ее изменчивости. Повторяя утверждения физиков того времени, он писал: "Первая масса будет реальной или механической массой электрона, вторая -"электродинамической массой, представляющей инерцию эфира". И вот, первая масса оказывается равной нулю. Вся масса электронов, или, по крайней мере, отрицательных электронов, оказывается по происхождению своему всецело и исключительно электродинамической. Исчезла масса. Подрываются основы механики" (2, 18, 267). Ленин тут же показывает, что такое "исчезновение" массы не подрывает основ материализма, как это старались доказать идеалисты. Утверждения об "исчезновении материи" научно несостоятельны. Речь идет о том, что исчезает предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. п.) и которые оказались относительными, присущими только некоторым состояниям материи (2, 18, 275). Любое свойство может как присутствовать, так и отсутствовать у предмета, но это не может затронуть его объективного существования, его материальности. Могут изменяться только виды материи и движения. Ленин указал, что изменчивость, многокачественность предметов и явлений - лишнее подтверждение диалектического материализма.

Созданная в начале XX в. Эйнштейном теория относительности показала, что зависимость от скорости имеет масса любого происхождения, а не только электромагнитного.

В дальнейшем выяснилось, что все частицы по массе можно разбить на две группы: имеющие и не имеющие массы покоя; причем последние обладают специфически отличным свойством: они могут двигаться только с максимально возможной скоростью - скоростью света в вакууме. Пусть частица двигается со скоростью, значительно меньшей, чем скорость света v<<с; произведя разложение в ряд, мы получим

Это означает, что полная масса m частицы состоит из то, т. е. массы покоя, и некоей малой добавки, связанной с движением частицы. Во всех процессах, происходящих с сохранением числа свободных частиц, меняется лишь малый второй член. Это дало повод академику В. А. Фоку ввести понятие "пассивной" (m₀) и "активной" ^m₀v2/(2c²) масс. Однако он сразу подчеркивает, что это разделение условно, носит относительный характер, так как при одних процессах то ведет себя пассивно, но при других процессах, скажем, внутриядерного характера, она ведет себя так активно, что определяет собой весь процесс. Нам думается, что подобная классификация массы на пассивную и активную не раскрывает существа физического процесса и не является вполне корректной с философской точки зрения. Ведь изменения массы с необходимостью осуществляются при возникновении соответствующих условий. Несомненно, что масса покоя и масса движения тела физически различны. Можно предположить, что масса покоя характеризует не только связи между телами, находящимися в относительном покое, но и внутренние связи частиц, определяет его внутреннее состояние. Масса же движения определяет наряду с внутренними связями частицы и ее внешние связи, характеризующие ее новое физическое состояние, т. е. движение.

Масса является одним из решающих критериев устойчивости атомных ядер: они являются устойчивыми, если разность между массовым числом и зарядом ядра не выходит за узкие границы. Устойчивость ядра характеризует энергию связи нуклонов (ядерных частиц - протонов и нейтронов) в ядре. Энергия связи определяется тем, насколько отлична масса ядра от суммы масс изолированных нуклонов до их соединения в ядро. Следует также указать на то, что если кванты поля, обмен которыми обеспечивает соответствующие взаимодействия, обладают массой покоя, то радиус действия сил конечен, в случае же обмена частиц с m₀ = 0 радиус действия сил = ∞.

Из этого следует еще одно качественное различие между частицами, обладающими m₀, и частицами (фотоны и нейтрино), масса покоя которых равна нулю. О массе покоя нейтрино мы уже писали.

Все это свидетельствует о том, что масса - не случайный, малосущественный признак природных материальных объектов, а одно из их фундаментальных свойств, связанное с существенными особенностями их движения и относительной устойчивостью. Современная физика пришла к выводу, что массы различных физических объектов качественно различны; она стремится понять физическую природу массы на основе раскрытия сущности связи вещественных объектов с окружающими их полями.

В физической и философской литературе мы еще встречаемся с утверждениями о том, что масса есть адекватное выражение материи, что масса есть количество материи и т. д.

Такие утверждения, на наш взгляд, возрождают стремление отождествить материю с одним из ее свойств, что было характерно для метафизического материализма.

Б. Закон сохранения и превращения энергии как одна из форм выражения неуничтожимости движения

Очень важным для теории и практики, для материалистического мировоззрения является закон сохранения и превращения энергии. Этот закон занимает особое место среди законов сохранения, потому что энергия является одной из важнейших характеристик движения. Сама история его открытия, применения и дальнейшего развития своеобразна и поучительна.

Тысячи людей на протяжении веков пытались создать так называемый perpetuum mobile - вечный двигатель, который давал бы возможность получать движение "из ничего". Но все их попытки были тщетны. Опыт привел к выводу о невозможности создания такого "вечного двигателя". На этой стадии своего познания закон сохранения и превращения энергии выступал в отрицательной форме.

Пользуясь этим принципом, Стевин выводит условия равновесия в механике и возводит здание статики. Количественная формулировка закона становится возможной лишь после работ Галилея, Кеплера и Гюйгенса. Из открытых ими правил движения падающих тел, планет, маятника можно было получить "закон сохранения силы". В 1668 г. Гюйгенс впервые указал, что произведение веса на квадрат его скорости сохраняет неизменную величину при столкновении двух тел. Затем Ньютон в знаменитом трактате "Математические начала натуральной философии" (1687) впервые четко определил понятия массы, веса, силы, сформулировал основные законы механического движения и ввел во втором законе движения "величину движения"- mv2 (вместо гюйгенсовского pv2). Лейбниц дал этой величине название "живая сила".

Даниил Бернулли в "Гидродинамике" принимает за "главный принцип" сохранение живых сил, или равенство между ""действительным опусканием и возможным поднятием". В то же время Рене Декарт вводит иную характеристику движения - произведение массы на скорость, называет ее количеством движения и провозглашает философский принцип, гласящий, что количество имеющегося в мире движения остается всегда одним и тем же.

Возникает знаменитый спор между сторонниками лейбницев-ской меры движения и декартовой относительно того, какая из них является истинной. Ф. Энгельс высоко оценил подвиг Декарта за 200 лет до открытия закона сохранения и превращения энергии, высказавшего философскую мысль о несотворимости и неуничтожимое™ движения, о том, что движение не может быть создано, оно может быть только перенесено.

Великий русский ученый М. В. Ломоносов в 1748 г. высказал в весьма общей форме идею сохранения материи и движения. В письме к Л. Эйлеру он писал: "Все изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом, что сколько к чему прибавилось, столько же отнимется от другого. Так, сколько к одному телу прибавится вещества, столько же отнимется от другого, сколько часов я употреблю на сон, столько же отнимаю от бдения и т. д. Этот закон природы является настолько всеобщим, что простирается и на правила движения: тело, возбуждающее толчком к движению другое, столько же теряет своего движения, сколько отдает от себя этого движения другому телу" (77, 160). Пользуясь этим законом сохранения, Ломоносов первым высказывает идеи, положенные им в основу кинетической теории теплоты. Однако механистичность господствовавшего в то время мировоззрения ограничивала дальнейшее развитие этой плодотворной идеи.

Несмотря на великое значение высказанной Ломоносовым идеи сохранения материи и движения, нам кажется неправильным поднимать его гениальную догадку на уровень диалектико-материалистического обобщения в вопросе о сохранении материи и движения. Можно согласиться с утверждением академика С. И. Вавилова, что "Ломоносов на век вперед как бы (подчеркнуто мною.- В. Г.) взял в общие скобки все виды сохранения свойств материи. Глубочайшее содержание великого начала природы, усмотренного Ломоносовым, раскрывалось постепенно и продолжает раскрываться в прогрессивном историческом процессе развития науки о природе" (19, 3, 98). Однако нет достаточных оснований утверждать, что принцип сохранения, выдвинутый Ломоносовым, простирается на материю, определение которой как философской категории впервые дал В. И. Ленин. Ломоносов использует скорее качественную сторону этого закона, поскольку как мера движения у него фигурирует в основном декартово количество движения. Все это свидетельствует о том, что высказанные им соображения о сохранении движения являются скорее гениальной догадкой, нежели открытием основного закона природы.

Вплоть до середины XIX в. большинство высказываний о неуничтожимое™ движения относится, по существу, к его механической форме и "закон сохранения силы" формулируется в применении к механическим явлениям. В то же время к середине XIX в. был накоплен большой опыт промышленного развития. Изобретение паровой машины революционизировало все производство. Интенсивно изучались электрические и магнитные явления. Это не могло не привести к революционному скачку и в науке. Таким истинно величайшим открытием было открытие закона сохранения энергии.

Честь открытия закона сохранения и превращения энергии принадлежит ряду ученых, и среди них прежде всего Майеру, Джоулю и Гельмгольцу, которые пришли к этому открытию независимо друг от друга. Здесь следует также отметить работы русских академиков Э. Ленца и Г. Гесса, которые явились ярким выражением не только сохранения, но и превращения энергии.

Р. Майер выводит закон сохранения и превращения "силы" из опытных наблюдений и с помощью рассуждений о причинной связи явлений. У него отчетливо выражена мысль о возможности превращения механического движения в тепло, причем количество его считается пропорциональным исчезнувшему движению. "Причина равна действию" (causa aequat effectum) - вот основной постулат Майера. Сохранение силы прямо вытекает из неразрушимости причины. Силы могут проявляться в различных формах - теплоты, "химической резкости", органических процессов, и каждая из них может превратиться в любую другую в строгом количественном отношении. Таким образом, заслуга Майера состоит не только в открытии превращения сил, но и в идее механического эквивалента тепла и в вычислении его.

У него раздельно существуют закон сохранения массы и закон сохранения силы; "если причиной является вещество, то в качестве действия получается также таковое же, если причиной является некоторая сила, то в качестве действия будет также некоторая сила" (82, 78).

Майер первый четко различил "физическую силу"- энергию и "математическую силу"- силу в современном смысле. Он сознавал фундаментальный характер понятия энергии ("сила") по сравнению с понятием силы ("свойства"). Из фактов "неорганического образования тепла при затрате механической работы" следует, что "не существует никаких нематериальных материй вроде теплорода, флогистона... мы хотим вместе с невесомыми жидкостями,- писал Р. Майер,- изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции, однако мы знаем также, что природа в ее простой истине является более великой и прекрасной, чем любое создание человеческих рук, чем все иллюзии современного духа" (82, 130). Майер уже заметил разницу между кинетической и потенциальной энергией.

Работы Джоуля носили по преимуществу экспериментальный характер. В 1843 г. он писал, что из его опытов по определению количества теплоты, выделяющегося в цепи электрического генератора, "вытекал совершенно ясный вывод, что теплота и механическая сила обратимы одна в другую, и, следовательно, столь очевидно, что теплота является либо живой силой, либо некоторым состоянием притяжения или отталкивания, способным порождать живую силу" (104, 34). Далее последовали опыты по нагреванию различных жидкостей трением, по изменению температуры газа при разрежении и сжатии.

В конце июля 1847 г. в Берлине с докладом "О сохранении силы" выступил Гельмгольц. Основываясь на принципе невозможности perpetuum mobile, он доказывает сохранение всех "сил", а отсюда делает вывод о том, что все силы сводятся к центральным силам притяжения и отталкивания. Рассматривая переход (механический) системы взаимодействующих тел из одного состояния в другое, он показывает, что количество работы при прямом и обратном переходе одно и то же и не зависит от пути перехода. Отсюда следует, что запас живых сил L равен работе А, произведенной действующими силами плюс некоторое постоянное количество работы. Заменяя работу силами напряжения U = -А, получаем обобщенный закон сохранения

Он указывал, что во всех случаях движения свободных материальных точек под влиянием сил притяжения и отталкивания, интенсивность которых зависит только от расстояния, потеря в количестве силы напряжения всегда равна приращению живой силы, а приращение первой - потере второй. Следовательно, сумма всех живых сил и сил напряжения является всегда величиной постоянной. Таким образом, здесь вводится понятие потенциальной энергии, таящее в себе возможность перехода к механическим силам взаимодействия и входящее как составная часть в величину энергии (энергия - термин, введенный в 1807 г. Т. Юнгом, но вошедший во всеобщее употребление в 1853 г. благодаря У. Рейнкину и особенно после работ Р. Клаузиуса), которая сохраняется при всех превращениях, происходящих с замкнутой системой. Следовательно, механическая, по существу, концепция Гельмгольца содержала в себе начало конца механистической физики.

Закон сохранения и превращения энергии был как бы итогом развития механики. Благодаря практике, экспериментальным и теоретическим исследованиям все больше и больше раскрывалось его глубокое- содержание как "всеобщего закона природы. Это позволило быстрыми темпами развить теорию тепловых процессов, что привело к появлению термодинамики. Но особо важную роль закон сохранения и превращения энергии сыграл в изучении электрических и магнитных явлений. Благодаря работам Клаузиуса, Томсона, Максвелла, Больцмана, Гиббса и других начиная с 60-х годов прошлого столетия закон сохранения и превращения энергии стал признанным орудием научного исследования. Вставала необходимость более полного физического, а также философского осмысления этого фундаментального закона природы. Физический анализ его был блестяще осуществлен М. Планком в вышедшей в 1887 г. книге "Принцип сохранения энергии", а философская трактовка его была дана Ф. Энгельсом в работах "Анти-Дюринг" и "Диалектика природы".

Остановимся сначала на анализе, проведенном Планком. Прежде всего он дает определение понятия энергии, не включающее в себя факт ее сохранения (впервые эта идея была высказана Томсоном): "Определим энергию (способность производить работу) материальной системы в некотором определенном состоянии как измеряемую в механических единицах работы величину всех действий, которые совершаются вне системы, когда последняя переходит любым образом из своего состояния в произвольно фиксированное нулевое состояние" (112, 96). Далее закон сохранения энергии формулируется в следующей форме: "Энергия материальной системы в определенном состоянии, взятая в отношении к другому определенному "нулевому" состоянию, имеет однозначное значение" (112, 96), т. е. является независимой от способа перехода.

Из этой формулировки видно, что закон сохранения и превращения энергии представляет собой опытный закон, ибо он непосредственно может быть проверен сравнением работы всех внешних действий при различных способах перехода системы из одного определенного состояния в другое. Заметим, что именно определение энергии как функции состояния системы, т. е. величины, не зависящей от пути перехода из одного состояния в другое, лежит в основе термодинамики.

Сформулированный закон выводится из экспериментального факта невозможности создания работы из ничего (perpetuum mobile) и ее уничтожения - из того, что "положительная работа не может ни возникать из ничего, ни исчезать в ничто" (112, 138).

Затем закон представляется в форме сохранения энергии: "Энергия материальной системы, определенная в отношении к произвольному нулевому состоянию, не изменяется, если при выполнении какого-либо процесса не совершаются никакие внешние действия, или, другими словами, если в системе имеют место только внутренние действия" (112, 108). Это дает возможность трактовать энергию, содержащуюся в системе, уже "как величину, которая по своему смыслу независима от внешних действий. Система обладает известным количеством энергии, которая при фиксированном нулевом состоянии полностью определяется мгновенным состоянием... Это количество остается постоянным, будет сохраняться, пока система не передаст вовне и соответственно не получит извне никаких действий, внутренние же действия изменяют только ее форму, но не величину" (112, 108). Это понимание чрезвычайно удобно для непосредственного представления благодаря своей аналогии с сохранением массы, которая также может превращаться в различные формы, но не изменяется по своему количеству.

Такое определение энергии заставляет находить конкретные формы ее проявления в различных элементах системы, т. е. стимулирует конкретные физические исследования: "Всякий процесс, происходящий в природе, можно рассматривать как превращение отдельных видов энергии друг в друга" (112, 119).

Уточняя понятие внутренних действий в системе, М. Планк подчеркивает условный характер различия "внутренних" и "внешних" факторов. Оно зависит от границ системы. Абсолютно точное выражение сохранения энергии справедливо, строго говоря, по отношению ко всей Вселенной. Однако практически часто внешние воздействия на систему настолько малы, что от них можно отвлечься. Значительно позже Эддингтон сформулировал эту мысль в виде принципа сходимости (65, 129): сохранение энергии приближенно осуществляется во всякой приближенно изолированной системе. При этом по мере бесконечного приближения к идеальной изоляции растет точность утверждения о сохранении энергии в системе: расширяя рассматриваемую систему, мы получаем сходящийся ряд.

М. Планк, анализируя работу Майера, приводит из нее отрывок: "Всякая причина в природе переходит в свойственное ей действие, и наоборот, в действии не содержится ничего, чего бы не было в какой-либо форме в причине. Поэтому все изменения, происходящие в природе, состоят не в создании, а только в превращении сил в определенных, постоянных отношениях мер; таким образом, разнообразные силы в определенных отношениях эквивалентны друг другу, стало быть, они все могут быть измерены общей мерой, и сумма всех сил, существующих в природе, выраженная в этой общей мере, остается постоянной во времени". По этому поводу Планк писал: "Этот вывод несколько соблазнителен, ибо закон причины и действия составляет исходный постулат всего нашего познания природы. Но очарование, которое производит на нас майеровская дедукция, очень значительно потеряло бы в силе, если бы интенсивность закона не была уже известна нам из других оснований и если бы благодаря многолетней практике мы не привыкли к тем мыслям, которые он высказывает. Это превосходное объяснение принципа сохранения a posteriori, но никак не доказательство его. Само же значение термина "aequat" слишком неопределенно: если бы действительная причина была равна действию, то в природе вообще не происходило бы никакого изменения.

Первой действительно физической дедукцией принципа энергии была дедукция Гельмгольца. Она основана на механическом миропонимании" (112, 134).

Физические рассуждения и выводы Планка тесно переплетены с общефилософскими утверждениями. Так, он видит в принципе сохранения энергии не только констатацию неизменности суммарной энергии системы (отрицательное и количественное утвержде-' ние), но и указание на необходимость изменений, перехода энергии из одной формы в другую (положительная, качественная сторона), ибо одно уравнение постоянства полной энергии можно разложить на несколько уравнений, описывающих изменение энергии в частях системы, т. е. таким образом можно описывать временный ход изменений в системе.

Кроме того, Планк, в отличие, например, от Гельмгольца, не был сторонником универсального механического описания всех явлений природы и утверждал, что этот механический принцип никоим образом не вытекает из закона сохранения энергии, зато последний должен быть исходным принципом физики.

Наиболее полное раскрытие философского смысла закона сохранения и превращения энергии и некоторых его физических аспектов было осуществлено Ф. Энгельсом. Он считал этот закон великим основным законом движения и указывал, что "единство всего движения в природе теперь уже не просто философское утверждение, а естественнонаучный факт" (1, 20, 512).

Это было наряду с открытием клетки и эволюционной теорией Дарвина одним из трех великих открытий XIX в., которые послужили естественнонаучным основанием диалектического материализма. Сам Ф. Энгельс говорит, что благодаря этим открытиям к 50-м годам XIX в. "эмпирическое естествознание достигло такого подъема и добилось столь блестящих результатов, что не только стало возможным полное преодоление механической односторонности XVIII века, но и само естествознание благодаря выявлению существующих в самой природе связей между различными областями исследования (механикой, физикой, химией, биологией и т. д.) превратилось из эмпирической науки в теоретическую, становясь при обобщении полученных результатов системой материалистического познания природы" (1, 20, 511).

Движение как таковое, указывал Ф. Энгельс, как существенное проявление, как форма существования материи неуничтожимо, как и сама материя. Материя не может существовать иначе, как в движении, т. е. в непрерывном процессе изменения своего состояния. Поскольку движение - форма существования материи, а последняя может принимать различные виды, существуют также и многообразные виды движения, способные переходить друг в друга. При этом общая сумма движения в пределах данной изолированной области не может изменяться, а превращение одного вида движения в другой совершается в строгом количественном отношении. Это означает, что существует определенная мера движения - количественная его характеристика, общая для всех форм его проявления. Такой фундаментальной характеристикой движения Ф. Энгельс справедливо считает энергию.

Дальнейшее развитие науки показало, что мера движения имеет более сложную природу и включает в себя как энергию, так и импульс, которые часто проявляются как независимые характеристики отдельных форм движения и процессов перехода от одних форм к другим (например, электромагнитное поле обладает импульсом). Однако исторически ограниченные физические представления Ф. Энгельса не столь существенны, как основная его мысль о фундаментальной роли понятия энергии для всей физики.

Это тем более замечательно, что в то время многие физики еще не имели достаточной четкости в понимании роли энергии (чаще употреблялось вносившее путаницу понятие "сила"), а сам закон сохранения и превращения энергии рассматривали лишь с его количественной стороны, подчеркивая только факт сохранения. Ф. Энгельс справедливо считал наиболее существенной стороной великого закона его положительное выражение "в виде закона превращения энергии, где впервые вступает в свои права качественное содержание процесса и стирается последнее воспоминание о внемировом творце" (1, 20, 13).

В основе философского осмысления Ф. Энгельсом значения закона сохранения энергии лежала диалектико-материалистическая концепция неуничтожимости движения как атрибута материи. По своей сущности и форме его интерпретация является более глубокой, нежели тогдашняя естественнонаучная формулировка этого закона.

В. Роль закона сохранения и превращения энергии в термодинамике

Закон сохранения и превращения энергии в самом общем его понимании находит свое выражение в термодинамике.

Записанный в дифференциальной форме, он принимается за первое начало термодинамики:

Здесь dQ - бесконечно малое изменение количества тепла в системе; dA - бесконечно малое приращение работы, совершаемой системой против внешних сил; dE - дифференциал энергии. В силу закона сохранения энергии dE есть полный дифференциал (интеграл от него, взятый между двумя состояниями системы, не зависит от пути перехода), т. е. сама энергия есть функция состояния - зависит лишь от состояния системы, определяемого парой из трех возможных параметров (Р - давление, V - объем, Т - температура, если это газ), характеризующих систему, и не зависит от пути, по которому система пришла в данное состояние. Подразумевается,что все эти величины в вышеприведенном равенстве измерены в одних единицах. Работа dA записывается в тех переменных, которые характеризуют систему, в качестве которой можно рассматривать самые разнообразные объекты, например: газ, диэлектрик в электрическом поле, парамагнетик в магнитном поле и т. д.

Величины dQ и dA в общем случае не являются полными дифференциалами. Кроме dE, существует еще один полный дифференциал - это дифференциал энтропии, определяемый как

Утверждение "S есть функция состояния" является следствием второго начала термодинамики, основанного на факте невозможности создания perpetuum mobile второго рода, т. е. такого устройства, которое позволило бы получать работу за счет перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому при неизменных внешних условиях.

Понятие энтропии ввел Клаузиус; им же было сформулировано второе начало термодинамики в виде закона возрастания энтропии. Оба начала термодинамики являются самостоятельными утверждениями. Принцип энтропии определяет возможные направления процессов, на необходимость которых указывает закон сохранения и превращения энергии. Очевидно, что между обоими принципами существует связь.

Это было метко схвачено Ф. Энгельсом, критиковавшим теорию тепловой смерти Вселенной, выдвинутую Томсоном и Клаузиусом. Согласно этой концепции все виды движения в силу принципа увеличения энтропии должны в конечном счете превратиться в тепловую форму и излучиться в мировую среду. Ф. Энгельс показал, что вывод о тепловой смерти мира противоречит закону сохранения и превращения энергии: "В каком бы виде ни выступало перед нами второе положение Клаузиуса и т. д., во всяком случае, согласно ему, энергия теряется, если не количественно, то качественно" (1, 20, 600).

Интересные соображения об энергии и "тепловой смерти" высказал в свое время Н. Г. Чернышевский в работе "Предисловие и заметки к книге "Энергия в природе" Карпентера". Он писал, что формула, предвещающая конец движению во Вселенной, противоречит факту существования движения в наше время, что это формула фальшивая и что при ее нахождении была допущена ошибка.

"Теперь движение превращается в теплоту. Формула предполагает, что это - процесс, не имеющий никаких коррективов, что он всегда шел непрерывно и будет непрерывно идти до полного превращения всего движения в теплоту. Из того факта, что конец еще не настал, очевидно, что ход процесса прерывался бесчисленное множество раз действием процесса, имеющего обратное направление, превращающего теплоту в движение, так что существование вселенной - ряд бесчисленных периодов, из которых каждый имеет две половины: в одну половину уменьшается сумма движения, превращающегося в теплоту, и растет сумма теплоты, в другую половину уменьшается сумма теплоты, превращаясь в движение, и сумма движения растет. В целом это безначальная смена колебаний, не могущая иметь конца" (166, 534-535).

Приведенный отрывок показывает, как глубоко, диалектически подходил Н. Г. Чернышевский к проблемам современного ему естествознания, активно боролся с мистикой и поповщиной, пытавшимися опереться на данные науки.

Советские ученые К. П. Станюкович, И. Р. Плоткин, Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц и многие другие выдвинули существенные аргументы, опровергающие идею тепловой смерти Вселенной.

На наш взгляд, наиболее обоснованными выглядят доводы Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, которые считают, что представление о неизбежности теплового равновесия Вселенной ненаучно, так как оно игнорирует незамкнутость количественных систем, излучающих гравитационные поля: "...существенно, что гравитационное поле не может быть само включено в состав замкнутой системы ввиду того, что при этом обратились бы в тождество законы сохранения, являющиеся... основой статистики. Благодаря этому в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия" (70, 46).

Основываясь на положении о неуничтожимости материи и движения, Ф. Энгельс приходит к неизбежному выводу, что необходимо должен существовать механизм, преобразующий излучаемую в мировое пространство теплоту в другую форму движения, в которой она снова может накопиться и начать функционировать. Развитие естествознания, очевидно, приведет к физическому решению этой проблемы, основываясь на законе сохранения и превращения энергии.

Принцип энтропии есть выражение необратимости теплового движения. Объединяя первое и второе начала термодинамики, можно написать

Отсюда вытекают все соотношения термодинамики для любой конкретной физической системы.

Поскольку они получаются с помощью строгих математических операций из объединенного первого и второго начал термодинамики, всесторонне проверенных на опыте (в ограниченной части мира), им должны удовлетворять соответствующие экспериментальные результаты. И наоборот, подтверждение каждого из частных термодинамических соотношений является новым подтверждением справедливости закона сохранения и превращения энергии; противоречие же результатам термодинамики означало бы невыполнение закона сохранения и превращения энергии (или ограниченность термодинамического подхода).

Большой физический и философский интерес вызывает вопрос о связи закона возрастания энтропии с направлением времени. Хорошо известно, что уравнения классической механики симметричны по отношению к замене времени t на -t, и естественно предположить, что в основанной на классической механике статистике такая симметрия должна сохраняться. Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц показывают, что это не так. Они приходят к выводу, что "в квантовой механике имеется физическая неэквивалентность обоих направлений времени, и, возможно, ее "макроскопическим" выражением и является закон возрастания энтропии. Однако до настоящего времени не удалось сколько-нибудь убедительным образом проследить эту связь и показать, что она действительно имеет место" (70, 48).

Г. Законы сохранения импульса и момента количества движения

В классической механике, кроме скалярного интеграла движения - энергии, возможны два векторных: импульс и момент количества движения. Импульс, или количество движения Р, есть произведение массы т на скорость тела и; импульс системы материальных точек равен сумме их импульсов; момент количества движения определяется как

где r - радиус-вектор точки; Р - ее импульс.

Закон сохранения импульса (или какой-либо его проекции) справедлив для изолированной системы (или при наличии направления, в котором слагающая поля равна нулю). Так, при движении заряженной частицы в однородном электрическом поле будут сохраняться две проекции ее импульса в плоскости, перпендикулярной полю.

Закон сохранения момента количества движения справедлив для изолированной системы или для системы в поле центральной силы (т. е. если момент сил, действующих на систему, равен нулю).

История открытия этих законов механики и развития соответствующих им понятий, как и история закона сохранения и превращения энергии, неразрывно связана с развитием материально-технической вооруженности человеческого общества и общего уровня естественнонаучных знаний. Однако оба они имеют более ограниченную сферу макроскопического проявления, чем закон сохранения энергии, и поэтому представление об их всеобщности стало возможным лишь с развитием электродинамики, кинетической теории и статистической физики, теории относительности и, наконец, квантовой механики.

Теория относительности показала, что как энергия, так и импульс суть проявления единой четырехмерной меры движения, которой является четырехмерный вектор энергии-импульса. Она же окончательно установила необходимость понятия импульса в применении к электромагнитному полю, хотя и раньше это вытекало как из теории Максвелла, так и из опытов Лебедева со световым давлением.

Наиболее ранним проявлением закона сохранения момента количества движения в статическом смысле можно считать "золотое правило механики" древних. Кеплеровский закон площадей есть уже закон сохранения момента количества движения как динамической величины. В аналитической механике Лагранжа нашли свое законченное механическое выражение оба векторных закона сохранения.

Распространение понятия момента количества движения на немеханические формы движения стало возможным лишь с возникновением понятия спина элементарной частицы и применением его в квантовой механике.

Применение понятия момента количества движения в статистической физике к атому дало возможность объяснить поведение теплоемкости двух- и многоатомных газов.

Чем же объясняется столь существенное значение, которое имеют именно перечисленные интегралы движения механики? Действительно, у механической системы с "-степенями свободы всегда имеется 2n-1 интегралов движения. Однако не все из них равнозначны. Среди них имеются величины, которые обладают тем свойством, что их сумма по всем свободно движущимся телам, как до их взаимодействия, так и после, одна и та же и не зависит от конкретной природы имевшего место взаимодействия.

Таких независимых интегралов всего семь: это и есть энергия, три компоненты импульса и три компоненты момента.

В статистической физике основным понятием является функция распределения, показывающая, как распределены частицы по возможным состояниям. Теорема Лиувилля требует, чтобы она выражалась через интегралы движения. Причем в силу мультипликативности функций распределения (ρ_AB = ρ_A*ρ_B, A и B - отдельные системы, АВ - система из А и В) ее логарифм должен быть аддитивным интегралом движения. Таким образом, оказывается возможным полное статистическое описание с помощью одних лишь аддитивных механических инвариантов, "заменяющих собой то невообразимое множество данных (начальных условий), которое требовалось бы при механическом подходе" (70, 25).

Дальнейшее развитие теории механических интегралов движения в терминах скобок Пуассона в известном смысле подготовило переход к квантовой механике.

Д. Закон сохранения энергии в электродинамике. Сохранение заряда

В результате обобщения всех известных в то время опытных фактов, относящихся к электромагнитным взаимодействиям, а также использования идеи эквивалентности переменного электрического тока току смещения Максвелла были получены уравнения, явившиеся мощным теоретическим фундаментом дальнейшего развития науки. Подобно тому как уравнения Ньютона приводили к механическим законам сохранения, из уравнений Максвелла непосредственно получается закон сохранения энергии в электродинамике - так называемая теорема Пойнтинга; при этом впервые были введены важные понятия плотности энергии и потока энергии.

Заметим, что под потоком энергии следует понимать не механическое перемещение какого-то особенного энергетического флюида, а изменение энергетического состояния среды, поля, отображаемое в математической аналогии потока энергии.

Исходя в своих исследованиях из общего закона сохранения энергии и из уравнений Максвелла, Умов и Пойнтинг пришли к закону сохранения энергии в электродинамике. Этот вывод в свою очередь означал, что уравнения Максвелла правильно отражают объективные закономерности действительности. Вскоре на электромагнитное поле было распространено понятие импульса. Это был шаг, непосредственно предшествовавший созданию теории относительности.

Однако в изучении электрических явлений с самого начала ведущее место принадлежало понятию заряда. С открытием электрохимического эквивалента (закон Фарадея) устанавливается дискретная структура электричества и начинается познание нового фундаментального закона природы - закона сохранения заряда. В современных условиях он выглядит так: при всех превращениях частиц их суммарный электрический заряд не меняется.

В теории Максвелла непосредственным следствием из его уравнений является так называемое уравнение непрерывности:

математически выражающее факт несотворимости и неуничтожимо-сти этой особой и важной характеристики определенных видов материи. Открытие электрона Томсоном в конце XIX в. и измерение заряда электрона Милликеном в 1916 г. подтвердили дискретность структуры любого заряда. До настоящего времени в природе еще не обнаружены заряды меньше заряда электрона, хотя в теории элементарных частиц высказываются предположения о возможности их существования (дробные заряды кварков).

В прошлом экспериментальные попытки обнаружения субэлектронного заряда (например, работы Эренгафта) не увенчались успехом.

По современным представлениям электрический заряд - не самостоятельное образование, а особое свойство материальных частиц. Материальная частица, несущая элементарный отрицательный электрический заряд, как мы уже знаем, получила название "электрон". Количественное выражение для силы взаимодействия зарядов было получено Кулоном:

где е₁, е₂ - заряды, а r - расстояние между ними. Всякое изменение положения электрических зарядов приводит к изменению силы взаимодействия, т. е. при перемещении кулоновские силы совершают работу. Величина этой работы определяет энергию электрического поля

здесь е₁, е₂ - заряды, а r - расстояние между ними. Подробное исследование взаимодействия электрических зарядов привело к выводам, что заряды взаимодействуют через поле. Энергия электромагнитного поля равна

где E и H - напряженности электрических и магнитных полей; ε и μ - постоянные, характеризующие среду. Поле, как всякий физический материальный объект, характеризуется энергией, импульсом, моментом количества движения и т. д.

Полевая гипотеза массы приблизительно верно отражает сущность инертных свойств движущегося электрона, но если попробовать подсчитать энергию электрона в поле, то мы с неизбежностью должны задавать "мистическую" (пока неизвестную) величину, называемую радиусом электрона r₀, чтобы избежать бесконечностей:

Присутствие в теории лишенных физического смысла бесконечностей и искусственное их устранение показывает несовершенство теории, наличие в ней противоречий. В самом деле, взаимодействие зарядов рассматривается как взаимодействие безразмерных точек, но представление о безразмерности, точечности электрона ведет к бесконечному значению его энергии.

Очевидно, что в будущей теории элементарных частиц, когда мы на основе новых экспериментальных данных сможем понять природу электрического заряда, отпадает и необходимость в искусственных приемах "спасения" от бесконечностей.

Закон сохранения заряда играет исключительную роль в физике элементарных частиц. Как мы увидим дальше, уже удалось "нащупать" его связь с другими характеристиками материи. Наличие заряженных, а также лишенных заряда частиц ставит вопрос: чем можно объяснить ненаблюдающиеся во Вселенной симметрию и асимметрию в распределении зарядов?

Е. Закон взаимосвязи массы и энергии - дальнейшая естественнонаучная конкретизация положения о неуничтожимости материи и движения

В начале XX в. фундаментальными основами физики и всего естествознания являлись два самостоятельных закона сохранения: массы и энергии. Домарксовые материалисты отождествляли массу с материей, а энергию с движением. Это не соответствует действительности, но сохранение массы в какой-то мере отражало неуничтожимость и несотворимость материи, а сохранение энергии - вечность движения. Раздельное существование этих законов сохранения недостаточно адекватно отражало единство и неразрывность материи и движения. Диалектический материализм, рассматривая материю и движение в неразрывном единстве, тем самым отвергал метафизический отрыв их друг от друга, имевший место в естествознании, предсказывал существование неизвестной закономерности, более правильно отражающей объективные процессы в природе. Открытый А. Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии

явился одним из конкретных выражений этого единства, стал новым естественнонаучным подтверждением диалектического материализма. Хорошо известно, что эта связь массы и энергии является основой современной ядерной энергетики, открывает новую страницу в истории развития человеческих знаний о природе и ее законах. Установление взаимосвязи между массой и энергией привело к расширению содержания понятий как массы, так и энергии, к превращению их в более общие понятия, включающие в себя старые в виде предельного случая. Опытные факты, систематизированные и объясненные специальной теорией относительности, показывали, что масса m_v зависит от скорости движения тела по закону:

где m₀ - масса покоя, измеряемая в системе координат, связанной с движущимся как единое целое объектом. Массе покоя соответствует энергия покоящегося тела:

полная же энергия имеет характерную зависимость от скорости:

Если это выражение разложить в ряд, считая ^v/_c<<1, то мы получим

т. е. к обычной кинематической энергии добавляется энергия покоя. Этим однозначно устанавливается бывшая до сих пор произвольной аддитивная постоянная, входившая в выражение энергии. Теперь уже не только разность энергии является фактически наблюдаемой величиной, но и сама энергия, хотя проявление скрытой энергии покоя становится возможным лишь в ядерных процессах, в процессах так называемой аннигиляции (превращения пар e⁺ + e^- в γ-кванты, фотоны) и рождения пар.

В случае малых скоростей, как мы это уже видели, получаем выражение для массы

или так как

где Т - кинетическая энергия, то

До Эйнштейна второе слагаемое не учитывалось вовсе, так как не знали таких явлений, в которых эта добавка проявляла бы себя заметным образом (из-за огромной величины квадрата скорости света в вакууме, на которую делится кинетическая энергия). Понятие массы было, по существу, статическим. Теперь оказалось, что это динамическая величина, зависящая от скорости движения, и лишь при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, масса практически сводится к величине статической - к массе покоя m₀.

Таким образом, дальнейшее развитие наших знаний о природе привело как к развитию основных понятий физики (масса и энергия), так и к синтезу двух отдельных законов сохранения (массы и энергии) в новый, единый закон сохранения, который может быть выражен в терминах: либо закон сохранения полной массы изолированной системы (массы в новом смысле), либо закон сохранения полной энергии ускоренной системы (энергии в новом смысле). Тем самым был нанесен еще один удар метафизическому взгляду на закономерности природы, требовавшему резкого разграничения и наличия непроходимой пропасти между материей и движением, а следовательно, и их характеристиками - массой и энергией.

Законы сохранения релятивистской механики применяются при изучении космических частиц для определения их массы при идентификации случаев распада и рождения. Этот метод незаменим в исследовании новых частиц, ибо он позволяет анализировать подобные явления независимо от характера взаимодействий, лежащих в их основе.

Все прогрессивное развитие физики в XX в. проходит под знаком утверждения всеобщности фундаментальных законов сохранения, под знаком превращения их в мощное, орудие познания процессов рождения и превращения элементарных частиц, позволяющее сделать выводы о существовании новых, неизвестных еще частиц.

На протяжении многих лет существования закона сохранения и превращения энергии вокруг него шла, да и сейчас продолжается, борьба его сторонников и противников.

В физике, как об этом свидетельствуют приведенные ранее данные, отдельные ученые не раз пытались доказать неприменимость и ограниченность закона сохранения энергии и старались низвести этот закон до положения второстепенного вывода из специальных уравнений движения и из свойств пространства-времени. Однако естествознание и сегодня не располагает данными, ставящими под сомнение взгляды марксистско-ленинской философии на значение этого закона для науки и человеческой практики. Практика показала, что закон сохранения и превращения энергии является установлением основных положений материализма. Ф. Энгельс указывал, что открытие закона сохранения и превращения энергии прежде всего означает установление связи и единства явлений неорганической природы: "Из науки была устранена случайность наличия такого-то и такого-то количества физических сил, ибо были доказаны их взаимная связь и переходы друг в друга. Физика, как уже ранее астрономия, пришла к такому результату, который с необходимостью указывал на вечный круговорот движущейся материи как на последний вывод науки" (1, 20, 353).

Диалектико-материалистическое положение о неразрывности материи и движения было далее развито В. И. Лениным в соответствии с новыми физическими открытиями. Основу, философское содержание закона сохранения и превращения энергии составляют общие законы диалектики, в том числе и закон перехода количественных изменений в качественные и обратно. Глубокий смысл закона сохранения и превращения энергии состоит в том, что он выражает единство количественных и качественных характеристик движения, является мерой физических форм движения в природе. Опираясь на этот основной закон, физики смогли глубже проникать в сущность движения, устанавливать переходы одних форм движения в другие.

Ф. Энгельс показал, что закон сохранения и превращения движения служит раз и навсегда добытой основой гораздо более содержательного отныне исследования самого процесса, в понимании которого находит свое обобщение все познание природы. Философское значение закона сохранения и превращения энергии состоит в том, что он характеризует неразрывную связь материи и движения, неуничтожимость движения, переходы одних форм движения в другие. Блестящее подтверждение этого закона практикой служит еще одним свидетельством правильности положений диалектического материализма о первичности материи, о ее несотворимости и неуничтожимое™, об атрибутивном свойстве материи - движении - и о его несотворимости и неуничтожимости, о познаваемости материи и ее свойств.

В. И. Ленин не раз подчеркивал, что закон сохранения и превращения энергии, которая понимается как одна из характеристик материального движения, является фундаментальным положением современного материализма. Именно поэтому вокруг него уже давно идет острая идеологическая борьба между материализмом и идеализмом.

В работе "Материализм и эмпириокритицизм" В. И. Ленин раскрыл идеалистическую сущность энергетизма и несостоятельность попыток отрыва движения от материи. Советские философы и физики продолжают критику идеалистического истолкования законов сохранения. В работах физиков и философов разоблачались попытки использовать временные трудности в развитии физики для отказа от закона сохранения и превращения энергии, для протаскивания идеалистических утверждений в физическую науку, в интерпретацию ее содержания.

Исследования как в микромире, так и в космосе приносят новые подтверждения закона сохранения и превращения энергии, углубляют и расширяют его содержание, превращают его в еще более мощное орудие познания окружающей действительности.

Вопрос о существе и значении закона сохранения и превращения энергии в настоящее время приобретает еще большую актуальность. И вот почему. Сейчас существуют возможности открытия новых видов энергии как в микромире, так и в мегамире. Вполне возможно, что будут обнаружены новые виды энергии, обусловливающие излучение астрофизических объектов (ядер галактик, квазаров и др.), наряду с энергией, имеющей свой источник в термоядерных реакциях. Не исключено открытие новых видов энергии и во внегалактических взаимодействиях.

Открытие новых видов энергии, особым образом связанных с известными видами энергии и превращающихся в них какими-то новыми способами, может привести к противоречию с современным пониманием закона сохранения и превращения энергии.

Поэтому возникает необходимость в дальнейшем обобщении этого закона на основе новых форм его проявления. Имея в виду возможности открытия новых видов энергии, известный советский астрофизик академик Амбарцумян пишет: "Уже имеющиеся скудные факты говорят о том, что эти данные могут привести к противоречию с законом сохранения энергии (и вещества) в его современной форме, ограниченной известными нам формами энергии" (119, 23).

Важнейшей предпосылкой для дальнейшего обобщения закона сохранения и превращения энергии является конкретный анализ присущей ему всеобщности.

В марксистской диалектике понятие всеобщности обладает конкретным содержанием и выражает абсолютное единство с относительным, подобно тому, как абстрактное берется в единстве со специфическим, устойчивое - в единстве с изменяющимся. В диалектике, писал В. И. Ленин, всеобщее "воплощает в себе богатство особенного, индивидуального, отдельного" (2, 29, 90).

Всеобщность закона сохранения и превращения энергии необходимо рассматривать как конкретную всеобщность, т. е. прежде всего в его связи с другими физическими принципами. Поэтому существенное значение приобретает анализ связи закона сохранения и превращения энергии с принципами наименьшего действия и законами симметрии и асимметрии.