У такому ось дусі можна й далі показувати існування енергії в різних формах. Зазначимо, по-перше, пружну енергію. Розтягуючи пружину, ми повинні виконати якусь роботу, адже розтягнута пружина здатна підняти вантаж. Після розтягування вона отримує можливість виконати роботу. Якби ми тепер склали суму добутків ваг на висоти, то вона більше не зійшлася б, і нам довелося б у неї щось додати, щоб врахувати напруженість пружинки. Пружна енергія — це і є формула розтягнутої пружини. Скільки ж у ній енергії?
Коли ви відпускаєте пружину, то пружна енергія при переході пружини через точку рівноваги перетворюється на енергію кінетичну; і далі увесь час відбуваються переходи від стиснення й розтягування пружини до кінетичної енергії руху (у ці переходи домішуються ще зміни енергії тяжіння, але якщо це нам заважає, то можна пружину не підвішувати, а покласти). І так триває доти, доки втрати енергії... Стривайте! Виходить, ми весь час шахраювали: то влаштовували недовагу, щоб важіль нахилився, то говорили, що машини оборотні, то запевняли, що вони працюватимуть вічно. А машина зрештою зупиняється. Де ж тепер, коли пружина перестала стискатися-розтискатися, перебуває енергія? Вона перейшла в нову форму енергії — тепло.
У пружині або важелі є кристали, що складаються з безлічі атомів; і при складанні частин машини потрібна особлива точність і ретельність, щоб у роботі машини жоден з атомів не зсунувся зі свого місця, не похитнувся. Треба бути дуже обережним. Адже зазвичай, коли машина обертається, раз у раз відбуваються якісь удари, похитування, викликані нерівностями матеріалу, і атоми починають тремтіти. Так втрачаються маленькі частки енергії; у міру того як рух сповільнюється, все сильнішими стають випадкові, несподівані тремтіння атомів речовини машини. Звичайно, це все ще кінетична енергія, але не пов'язана з видимим рухом.
Дозвольте, яка кінетична енергія? Що за казка? Звідки відомо, що це все ще кінетична енергія? Виявляється, термометр здатний виявити, що пружина або важіль нагріваються, т. е. що й справді відбувається певний приріст кінетичної енергії. Ми називаємо її тепловою, а самі пам'ятаємо, що це аж ніяк не нова форма енергії, а всього лише кінетична, але внутрішнього руху. (Одна з труднощів усіх дослідів із великою кількістю речовини якраз у тому й полягає, що неможливо насправді показати збереження енергії, зробити справжню оборотну машину; щоразу, коли повертається великий шматок речовини, атоми не залишаються в попередньому стані, у їхню систему включається певна кількість випадкового руху. Побачити це не можна, але виміряти термометрами та іншими приладами можна.)
Існує ще чимало інших форм енергії, але ми не можемо зараз описувати їх більш-менш докладно.
Є енергія електрична, пов'язана з притяганням і відштовхуванням електричних зарядів.
Є енергія випромінювання, або енергія світла,— одна з форм електричної енергії, бо світло може бути представлене як коливання електромагнітного поля.
Буває енергія хімічна — енергія, що вивільняється в хімічних реакціях. Пружна енергія певною мірою схожа на хімічну; і хімічна енергія є енергією притягання атомів один до одного, і пружна енергія теж. Наразі ми це розуміємо так: хімічна енергія складається з двох частин — енергії руху електронів усередині атомів, т. е. з кінетичної частини, і електричної енергії притягання електронів до протонів, т. е. з електричної частини.
Далі, буває ядерна енергія, пов'язана з розташуванням частинок у ядрі; для неї теж існує формула, хоча основні закони нам і невідомі. Ми знаємо, що це не електрика, не тяжіння, не чиста хімія... А що це таке? А хто його знає! Мабуть, це додаткова форма енергії.
І нарешті, теорія відносності видозмінює формулу кінетичної енергії, так що назва ця стає умовною, поєднуючи її з іншим поняттям: енергією маси. Будь-який об'єкт володіє енергією вже тому, що він існує. Якщо електрон і позитрон спокійно стоять поруч, нічим не займаючись (ні тяжінням, ні чимось іншим), а потім зливаються і зникають, то вивільняється певна порція енергії випромінювання, і цю порцію можна підрахувати. Усе, що для цього потрібно,— це знати масу об'єкта. Неважливо, що це таке — два тіла зникли, певна енергія з'явилася. Формулу вперше придумав Ейнштейн: це Е = mc2.
З наших міркувань ясно, що закон збереження енергії незамінний при аналізі явища; ми вже показали це на низці прикладів, для яких ми не знали всіх формул. Володій ми формулами для всіх типів енергії, ми могли б дізнаватися, не вдаючись у деталі, скільки процесів відбувається в такому-то явищі. Тому закони збереження такі важливі. Постає природне питання: які ще є у фізиці закони збереження.
Існують ще два закони, схожі на закон збереження енергії. Один називається збереженням імпульсу (або кількості руху). Інший — збереженням моменту кількості руху. Пізніше ми докладніше познайомимося з ними.
В кінцевому підсумку ми не розуміємо законів збереження достатньо глибоко. Нам незрозуміле збереження енергії. Ми не можемо уявити собі енергію як якусь кількість неподільних порцій. Ви, ймовірно, чули, що фотони вилітають порціями і що енергія їх дорівнює сталій Планка, помноженій на частоту. Це правда, але оскільки частота світла може бути будь-якою, то немає жодного закону, за яким енергія зобов'язана мати якусь певну величину. Це вже не кубики Монтигомо Яструбиного Кігтя: будь-які кількості енергії допустимі, принаймні наразі. Для нас енергія — це не те, що можна перерахувати, а всього лише математична величина, абстракція,—обставина досить дивна. У квантовій механіці з'ясовується, що збереження енергії тісно пов'язане з іншою важливою властивістю світу — з незалежністю від абсолютного часу. Ми можемо поставити дослід у якийсь момент, а потім ще раз в інший момент; він відбуватиметься однаково. Чи абсолютно вірне це твердження, чи ні — ми не знаємо. Але якщо ми приймемо, що воно абсолютно вірне, і додамо принципи квантової механіки, то з цього можна вивести принцип збереження енергії. Це досить тонка й цікава річ, яку нелегко пояснити. Інші закони збереження також пов'язані між собою: збереження імпульсу в квантовій механіці — з твердженням, що неважливо, де відбувається дослід, його підсумок від цього не змінюється. І подібно до того, як незалежність від місця пов'язана зі збереженням імпульсу, а незалежність від часу — зі збереженням енергії, точно так само від повороту наших приладів теж нічого не повинно змінюватися; незалежність від орієнтації в просторі має відношення до збереження моменту кількості руху.
Крім цього, існують ще три закони збереження; наскільки нині нам відомо, вони точні і зрозуміти їх набагато легше, оскільки за своєю природою вони близькі до підрахунку кубиків. Перший з них — збереження заряду; він просто означає, що якщо підрахувати, скільки є позитивних зарядів, і з цього відняти кількість негативних, то це число ніколи не зміниться. Ви можете позбутися позитивних разом із негативними, але ніколи не створите чистого надлишку одних над іншими. І інші два закони схожі на цей. Один називають збереженням числа баріонів. Є певна кількість дивовижних частинок (приклади: нейтрон і протон), що називаються баріонами. У будь-якій реакції, де б у природі вона не відбувалася, якщо підрахувати, скільки баріонів було на початку процесу (рахуючи антибаріон за —1 баріон), то в кінці їхнє число виявиться тим самим. Інший закон — збереження числа лептонів. Група частинок, що називаються лептонами, включає електрон, мюон і нейтрино. Антиелектрон, т. е. позитрон, рахується за —1 лептон. Підрахунок загального числа лептонів у реакції виявляє, що на вході і на виході реакції це число однакове, принаймні наскільки нам зараз відомо.
Ось вам шість законів збереження: три хитромудрі, пов'язані з простором і часом, а три прості, пов'язані зі звичайним рахунком.
До збереження енергії доступність і корисність енергії не мають жодного відношення. В атомах морської води чимало енергії руху, оскільки температура моря досить висока, але немає жодної можливості спрямувати цю енергію в певне русло, не відібравши її звідкись іще. Інакше кажучи, хоча нам відомий той факт, що енергія зберігається, але не так уже й просто зберегти енергію, придатну для людини. Закони, що керують кількістю придатної для людини енергії, називаються законами термодинаміки і включають поняття, зване ентропією незворотних термодинамічних процесів.
Наостанок зупинимося на тому, звідки ми сьогодні можемо отримувати необхідний запас енергії. Енергією нас забезпечують Сонце й дощі, вугілля, уран і водень. Утім, і дощі, і вугілля зрештою без Сонця були б неможливі. Хоча енергія зберігається, природа, судячи з усього, цим анітрохи не цікавиться; вона вивільняє із Сонця безліч енергії, але лише одна двомільярдна її частина падає на Землю. Природа зберігає енергію, але насправді про неї не дбає, розтринькуючи її направо й наліво. Ми вже отримуємо енергію з урану, ми можемо отримувати її і з водню, але поки що це отримання пов'язане з вибухами, з великою небезпекою. Якби ми змогли навчитися керувати термоядерними реакціями, то енергія, яку можна отримувати, витрачаючи по 10 л води в секунду, дорівнювала б усій електроенергії, що виробляється зараз за цей час у Сполучених Штатах. Шестисот літрів річкової води за хвилину вистачило б, щоб забезпечувати енергією всю країну! Саме фізикам доведеться придумати, як позбавити нас потреби в енергії. І це, безсумнівно, досяжне.