Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Закон сохранения энергии — один из главных в курсе физики. Он гласит, что энергия не появляется и не пропадает, а только передаётся от одного объекта к другому. Из этого следует и ещё кое-что крайне важное. Если передавать энергию «некуда», то система сохранит её вечно.
Теперь перенесёмся в далёкий космос. Как можно дальше от всего, что связано с материей и чем-то привычным для нас. Бросим камень в космическую бездну с некоторой начальной скоростью и тем самым повторим классическую задачку из учебника, которая в разных видах доносила одну истину — если космонавт улетел в далёкий космос, поскольку оторвался от космической станции и не имеет двигателей, то его путешествие будет вечным. Ведь затормозить он не может. Ну и тогда камень тоже будет лететь в свободном полёте вечно? Да, так бы ответило большинство читателей, но это неправильный ответ.
Распространенное заблуждение, что если бы вы находились в мертвом космосе (предполагая нашу нынешнюю реальность) и бросили камень, то он бы продолжал лететь вечно.
На самом деле, камень в конечном итоге полностью остановится по отношению к другим частицам во вселенной. Камень полностью теряет свою энергию. Я знаю, вы можете возразить и сказать: «Воздуха нет, поэтому ничто не может остановить его импульс». И тут, как это часто бывает, простейшая физическая задачка превращается в почву для отличного обсуждения и становится запутанной. Давайте разбираться поэтапно.
С точки зрения классической ньютоновской физики, ответ довольно прост: камень будет лететь вечно. Первый закон Ньютона гласит, что объект, находящийся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, останется в этом состоянии, если на него не действуют внешние силы. В идеальной вселенной, лишенной сопротивления и гравитационных полей, брошенный камень будет сохранять свою скорость и направление навсегда.
Однако реальность космоса далека от идеального вакуума. Межзвездное пространство заполнено крайне разреженным газом и пылью, известными как межзвездная среда (ISM). Хотя плотность этой среды чрезвычайно мала, взаимодействие с ней будет оказывать пусть и ничтожно малое, но все же сопротивление движению камня.
Кроме того, на камень рано или поздно начнет действовать гравитационное притяжение какой-нибудь звезды, галактики или даже скопления галактик. Есть ещё космическое микроволновое фоновое излучение. Это реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Хотя оно и очень слабое, оно также оказывает давление на объекты, движущиеся сквозь него.
Наиболее вероятный тут сценарий – камень будет притянут к какой-нибудь звезде или планете и станет ее спутником. Его траектория будет сложной и непредсказуемой, но в конечном итоге он окажется на орбите вокруг более массивного объекта.
Ну а если копать ещё глубже, то обычная история, что энергия и импульс не сохраняются, если отсутствует временная или пространственная симметрия (что так и есть). Временная симметрия — это когда один и тот же эксперимент можно повторять для одной системы в разное время и иметь одинаковый результат. Пространственная — в каждой точке пространства эксперимент выдаст одинаковый результат. Ключевым моментом здесь является легендарная теорема Нётер, которая устанавливает глубокую связь между симметриями физической системы и законами сохранения. Но камень нарушает эти два пункта, а потому получается, что и закон сохранения для него не сработает.
Ну а теперь самое интересное. Вселенная расширяется, и это расширение само по себе нарушает временную и пространственную симметрию. Пространство не остается неизменным во времени, и законы физики, которые мы наблюдаем сегодня, могут немного отличаться от законов, которые действовали в прошлом (хотя эти изменения, вероятно, очень малы). Более того, расширение происходит неравномерно в различных областях Вселенной.
Хотя на очень больших масштабах Вселенная выглядит относительно однородной и изотропной, на меньших масштабах она полна галактик, скоплений галактик, пустот и других структур. Это означает, что свойства пространства (например, плотность материи и энергия) не одинаковы во всех точках, что нарушает пространственную симметрию.
Вселенная постоянно эволюционирует. Формируются новые звезды, галактики сталкиваются, происходят взрывы сверхновых. Это динамичные процессы, которые меняют условия в пространстве-времени и, следовательно, нарушают временную симметрию. Это значит, что если ещё вчера камень был далеко от всех звёзд и планет, то сегодня он может оказаться вблизи одного из таких объектов.
Стоит также упомянуть, что на очень больших масштабах и временах квантовые эффекты могут играть роль. Например, квантовые флуктуации вакуума могут оказывать небольшое, но непрерывное влияние на движение камня.
При этом есть версия, кривизна пространства-времени пропускает энергию и поглощают её. Это не нарушает никаких законов физики. Все становится намного сложнее, чем написано в учебнике физической механики за 7 класс.
На протяжении миллионов и миллиардов лет, даже самые незначительные силы могут оказать существенное влияние на судьбу камня. Это самое важное, что нужно осознать.
При этом закон сохранения работает. Вот только с двумя поправками. Во-первых, мы должны учитывать каждую пылинку на больших временных интервалах. Во-вторых, сама гомогенность пространства-времени тут вызывает вопросы, а потому не исключено, что в новых условиях этот закон будет работать иначе.