Шкільний закон збереження енергії правильний скрізь, крім Всесвіту загалом

Є фраза, яку школярі чують на уроках фізики так часто, що запам'ятовують на все життя. Її записують у зошитах, завчають перед контрольною і потім роками вважають одним із найнадійніших правил устрою світу. Енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, вона лише переходить з одного виду в інший.

У цієї фрази в підручнику є умова, яка швидко забувається. Так поводиться енергія замкненої системи, куди ззовні нічого не надходить і звідки нічого не йде. Для м'яча, машини та батарейки це правило. Але якщо спробувати назвати замкненою системою весь Всесвіт, фізика вже не може сказати, що його енергія залишається незмінною.

Чому закон так добре працює на Землі

Ви кидаєте м'яч угору, і він втрачає швидкість, зате піднімається вище. М'яч падає назад, і висота знову перетворюється на швидкість. Автомобіль гальмує, і гальмівні диски нагріваються, бо енергія руху перейшла в тепло. Батарейка розряджається, і її запас перетворюється на струм, а потім на тепло, світло чи рух. На кожному такому прикладі здається, що енергія просто подорожує з одного місця в інше і змінює вид, але ніколи не з'являється і не зникає.

Тримається закон на одній властивості світу. Дослід, поставлений сьогодні, відбувається за тими самими законами, що й такий самий дослід завтра або через рік. Із цього й випливає, що є величина, яка не змінюється. Її й називають енергією.

Чому Всесвіт не можна обвести межею

Але потім ми робимо цілком природну річ. Перестаємо розглядати окремий автомобіль, пружину чи м'яч і ставимо питання про Всесвіт загалом. Тут і починаються проблеми.

У шкільній задачі можна намалювати систему, провести навколо неї межу і сказати, що всередині наша енергія, а все інше зовні. Можна порахувати, скільки енергії було на початку досліду і скільки залишилося в кінці. Але у Всесвіту немає зовнішньої кімнати, звідки можна щось отримати або куди можна щось викинути, а ззовні немає місця, звідки його можна було б «зважити». А головне, у Всесвіті змінюється сам простір, у якому все рухається. Він розтягується, і сама сцена, на якій відбувається будь-який дослід, завтра буде не такою, як сьогодні. А закон, як ми пам'ятаємо, тримається саме на тому, що завтра все влаштовано так само, як сьогодні.

За теорією відносності Ейнштейна простір — не просто сцена, на якій усе відбувається. Він може викривлятися, розтягуватися і змінюватися. Тому для Всесвіту, що росте, не можна просто скласти енергію всього, що в ньому є, і отримати одне число, яке зобов'язане залишатися сталим, як енергія м'яча у шкільній задачі.

Світло втрачає енергію дорогою

Особливо добре це видно на прикладі світла. Уявіть світло далекої галактики, яке мільярди років летить до нас через Всесвіт, що росте. Поки воно в дорозі, простір розтягується, а разом із ним розтягується і хвиля світла. А що довша хвиля, то менше у світлі енергії.

Це видно і у вимірюваннях. Найдавніше світло, яке можна впіймати, залишилося з тих часів, коли весь молодий Всесвіт був гарячим газом. Тоді це світло було гарячим, як сам газ, близько 2700 градусів за Цельсієм. Відтоді Всесвіт виріс приблизно в тисячу разів, і в стільки ж разів розтягнулася хвиля цього світла. Сьогодні його температура близько −270 °C, а хвиля стала такою довгою, що світло перетворилося на радіохвилі. Тому його ловлять антени і радіотелескопи як слабкий шум, який іде з усіх боків неба.

І тут шкільне правило починає звучати дивно. Світло летіло через Всесвіт і втратило енергію. Куди вона поділася?

У задачі про м'яч чи машину ми звикли обов'язково знаходити відповідь, чи то тепло, чи рух, чи висота. Для Всесвіту, що росте, у фізиків дві відповіді. Одні кажуть, що енергія світла перейшла в енергію гравітації, тобто самого простору, що розтягнувся. Інші вважають, що вона просто не збереглася. Їхні розрахунки збігаються, сперечаються вони лише про слова. Але показати місце, де ця енергія тепер лежить, не може ніхто.

Ми звикли уявляти енергію майже як рідину. Якщо в одній посудині її стало менше, тож, вона опинилася в іншій.

Відомий фізик Річард Фейнман пояснював інакше, на кубиках. У хлопчика 28 кубиків, і мама щовечора їх перераховує. Якщо кількох не вистачає, отже, вони закотилися під килим або вилетіли у вікно, і, знайшовши їх, мама знову нараховує 28. З енергією так само, тільки кубиків немає. Є число, яке фізики рахують за формулами для кожного виду енергії, і, поки нічого не входить і не виходить, сума залишається однаковою. А що таке енергія сама по собі, фізика, за словами Фейнмана, не знає. У притчі Фейнмана кімната завжди одна й та сама. А якщо розтягується сама «кімната», ця сума збігатися вже не зобов'язана. Тому шукати, де тепер лежить енергія світла, як кубик під килимом, марно.

Темної енергії стає дедалі більше

Ще дивніше з темною енергією. Всесвіт не просто росте, а росте дедалі швидше. Те, що його розганяє, називають темною енергією, і за нинішніми розрахунками її вже близько двох третин усього, що у Всесвіті є. У кожному кубометрі порожнього простору її кількість однакова, хоч би як він розтягувався. Простору стає більше, а отже, і всієї цієї енергії теж. Виникає зовсім незручне для шкільної картинки питання. Звідки вона береться?

Відповідь та сама, що й зі світлом. Для Всесвіту, що росте, повна енергія не зобов'язана поводитися так, як у закритій коробці із задачника.

Фізики знали про це понад сто років тому

Про глибину цієї проблеми вчені знали давно. Німецьку математикиню Еммі Нетер запросили до Геттінгенського університету допомогти розібратися з теорією Ейнштейна, де енергія начебто не зберігалася. 1918 року вона довела те, про що йшлося на початку. Якщо закони природи не змінюються з часом, енергія зберігається. З її теореми й видно, чому з енергією в теорії Ейнштейна все не так просто, адже там сам простір може змінюватися з часом.

При цьому було б неправильно зробити з усього цього сенсаційний висновок, що закон збереження енергії хибний. Простір навколо Землі та Сонця не розтягується і з часом не змінюється, тому в кімнаті, на Землі та в усій Сонячній системі закон працює так само точно, як у підручнику. За ним розраховують рух автомобілів, роботу двигунів, падіння тіл і нагрівання води. Помилитися можна, лише якщо забути про умову, за якої це правило правильне, і уявити весь Всесвіт, що росте, гігантською закритою коробкою зі сталим запасом енергії.

Тож коли наступного разу хтось скаже «енергія не виникає з нічого і не зникає», сперечатися з ним не обов'язково. Для чайника, машини та будь-якої задачі з підручника він цілком правий. А ось якщо поставити питання, скільки енергії містить увесь Всесвіт просто зараз, фізика не зобов'язана дати одне просте число. І це набагато дивніша історія, ніж здається на першому уроці.