Лагранжиан = кинетическая энергия — потенциальная энергия.
Запустите игрушечную ракету. Сначала у нее будет много-много кинетической энергии, а когда ракета достигнет максимальной высоты, это будет означать, что вся кинетическая энергия превратилась в потенциальную. По пути вниз потенциальная энергия превращается обратно в кинетическую.
Иначе говоря, средний лагранжиан, то есть действие, равен нулю. Хотя пример с ракетой уже проще некуда, из него можно извлечь важный урок: действие будет минимальным, если приблизительно половина энергии расходуется в движении, а половина вкладывается в потенциал. Такова и есть цель: минимизируй действие — и получишь траекторию, которую проделают реальные ракеты (а также звезды и атомы).
Волшебство принципа Гамильтона состоит в том, что если удастся вычислить лагранжиан для какой-то системы — например, для движения ракеты, — можно просто применить подход Эйлера и Лагранжа для минимизации действия, а потом получить траекторию ракеты. Иначе говоря, если знаешь, каково взаимодействие энергий в системе, а следовательно, и лагранжиан, значит, ты знаешь абсолютно все необходимое, чтобы предсказать эволюцию системы в будущем.
А в результате принцип Гамильтона позволяет перекинуть мостик от принципа минимизации к «выведению» законов Ньютона. Именно для этого он, в сущности, и придуман. Казалось бы, зачем идти таким извилистым путем, чтобы прийти к результату, который мы и так уже знаем? Я постоянно проделывал это во время занятий механиков на младших курсах, даже не понимая, почему мы делаем именно так, а не иначе.
Лагранжиан ракеты
Этому, разумеется, есть технические причины. Принцип Гамильтона позволяет решать сложные задачи со строгими ограничениями, что было бы невозможно, если бы ими попытался заниматься непосредственно Ньютон, однако для нас у этого принципа есть и другое, более важное достоинство. И к нему вели все наши разговоры начиная с принципа Ферма.
Если есть симметрия, инвариантом остается именно лагранжиан, то есть, в сущности, все участвующие во взаимодействии виды энергии.
Вернемся к Нётер и к тому, что на самом деле означает ее теорема
На страницах этой книги я уже перечислил очень много симметрий, но ни разу не говорил о том, что же на самом деле должно быть инвариантом. Что же это такое, что не меняется, если смотреть в зеркало, переводить часы вселенной, обращать время вспять или взять и повернуть всю конструкцию?
Эмми Нётер докопалась до глубинной истины. Она поняла, что инвариант — это именно лагранжиан.
Нётер обнаружила, что одни манипуляции меняют энергию, а другие — нет. Например, если пропорционально увеличить всю вселенную, расстояние между двумя телами увеличится, а это снизит гравитационную энергию. Однако для особых видов симметрии вроде поворота, которые не изменяют энергию, а следовательно, и лагранжиан, как раз и вступает в силу соотношение, которое открыла Нётер: симметрия влечет за собой какую-то сохраняющуюся величину[58].
Например, законы физики сегодня в точности такие же, как вчера, а поэтому, согласно теореме Нётер, во вселенной сохраняется энергия.
Мы уже убедились, что энергия способна менять форму. В пище, которую мы едим, запасена химическая энергия, которую мы обращаем в тепло (мы же, как-никак, теплокровные) и движение. Однако если сложить все возможные составляющие энергии во вселенной — энергию массы E = mc 2, движение всех частиц и гравитационные и электрические взаимодействия между этими частицами — получится огромное число, а теорема Нётер как раз и говорит нам, что это число до конца времен останется точно таким же, как и сегодня.
Идею сохранения энергии придумала не Нётер. Эта идея заложена в первом законе термодинамики. Зато Нётер показала, что первый закон — всего лишь следствие из неизменности законов физики.
Подобным же образом, раз законы физики одинаковы и прямо здесь, и в трех метрах отсюда, теорема Нётер учит нас, что импульс сохраняется. Сохранение линейного импульса тоже не новость. Его открыл в XVII веке Исаак Ньютон, и все три его знаменитых закона — разные способы описать сохранение импульса в замкнутой системе.
Однако вот в чем загвоздка. Мы уже видели, что время и пространство тесно взаимосвязаны. Теория относительности покажет, что одно можно заменять другим. Как мы увидим, это означает, что импульс и энергия — две стороны одной медали.
В теореме Нётер скрыто гораздо больше. Она описывает и объясняет сохранение спина, электрического заряда, «цвета» (эквивалент заряда в сильном ядерном взаимодействии) и т. д. и тому подобное — и в конечном итоге закладывает математическую основу практически подо всю стандартную модель физики частиц.
Если учесть все это, становится непонятно, каким образом Нётер оказалась в значительной степени забытой. Мне думается, отчасти это объясняется тем, что при помощи теоремы Нётер можно проделать лишь совсем немного вычислений. Установишь, что налицо сохранение энергии, заряда и еще с полдюжины других величин — и все. Больше никаких полезных вычислений и не требуется, и не получается. Некоторые сохраняемые величины вообще можно выбить из формул при помощи грубой силы, только кому это нужно?!
Мы видели, что биография Нётер во многом пересекается с биографией Эйнштейна. Но есть между ними и другие, более мрачные параллели. Нётер, как и Эйнштейн, в 1933 году бежала в США. Эйнштейн осел в Принстоне, в незадолго до того созданном Институте передовых исследований. Нётер оказалась в расположенном неподалеку колледже Брин Мор. А затем — всего через два года после переезда в Америку — у Эмми Нётер обнаружили рак, а после операции она умерла от какой-то загадочной инфекции. Эмми было всего 53 года. Вот как писал о ней Эйнштейн:
По мнению большинства самых сведущих ныне живущих математиков, фройляйн Нётер обладала самым значительным творческим математическим гением с тех пор, как женщинам была дана возможность получать высшее образование.
А для нашей книги главное, что Нётер наконец-то объяснила, почему симметрия проявляется практически во всех физических законах, управляющих вселенной. Симметрия — это не просто что-то красивое и элегантное. Из существования симметрии следуют физические законы! В сущности, Нётер обратила симметрию в порядок.
Глава пятая. Теория относительности
В которой нам так и не удается создать межгалактический ансибль
Признайтесь: вы так любите популярную физику во многом за то, что она дарит надежду, что вам когда-нибудь удастся применить полученные знания для создания «ТАРДИСа» или гиперпространственного двигателя. Мы уже вкратце поговорили о множественной вселенной, высших измерениях, обращении стрелы времени. Еще один расхожий мотив научно-фантастических произведений впервые упомянула Урсула ле Гуин в своем романе «Планета Роканнона» — это устройство под названием ансибль. Вот как она сама о нем говорила:
Ансибль не требует ни радиоволн, ни какой бы то ни было формы энергии. Принцип, по которому он действует, — постоянство одновременности — в какой-то мере аналогичен гравитации… Он порождает сообщение в любых двух местах одновременно. Где угодно.
Забавно, что это определение полагается на одно из самых популярных заблуждений, касающихся гравитации: что она будто бы распространяется мгновенно. На самом деле гравитационные сигналы перемещаются со скоростью света. Но даже и без этого — возможно ли вообще создать ансибль?
Одним словом — нет.
Я понимаю, что выступаю в точности как тот зануда, который вечно поправляет вам ошибки в клингонском, но что есть, то есть. Предел скорости света — это не просто настоятельная рекомендация, это закон. Впрочем, предположим, вы настойчивы и зададите следующий вопрос: а почему?
Ответ «Потому что я так сказал» не был для вас веским доводом и в глубоком детстве, и — представьте себе — с тех пор ничего не изменилось. Чтобы понять, почему нельзя создать ансибль, нам придется — вы верно догадались — углубиться еще в одну фундаментальную симметрию пространства и времени.
Откуда у нас такое чувство, будто мы центр вселенной?
Еще в третьей главе мы обнаружили — и это никого не удивило — что Земля расположена не в центре вселенной. Мы вращаемся вокруг Солнца, Солнце — вокруг галактики Млечный Путь, галактика — вокруг местного сверхскопления Девы. Если все суммировать, получится, что мы рассекаем пространство со скоростью примерно полтора-два миллиона километров в час. Вы что-нибудь заметили? Я — нет.
Не то чтобы я хотел давать вам очередной повод для беспокойства, но если вдуматься, и в самом деле леденит душу, что мы так стремительно мчимся по вселенной. Этак недолго и вовсе перестать выходить на улицу, чтобы не смело́ в глубокий космос. Примерно такой же экзистенциальный ужас обуял Галилея почти 400 лет назад. Он потратил массу сил на опровержение доводов всяких профанов, которым мысль, что Земля вращается вокруг Солнца, была как нож острый. В своем «Диалоге о двух главнейших системах мира» Галилей уговаривает очернителей играть с мухами и бабочками и скакать на месте, будто сумасшедшие:
