Законы сохранения — очень фундаментальные, очень общие законы физики. Они выражают несотворимость и неуничтожимость материи и ее движения. Но что значит здесь «несотворимость и неуничтожимость»? С естественнонаучной точки зрения это — постоянство некоторых характеризующих материю и ее движение величин при тех или иных взаимодействиях, превращениях, движениях. Постоянство таких атрибутов (неотъемлемых признаков) возводит их в ранг основных величин, а изучение их уточняет физическую картину объективно существующей реальности.

Не сразу удалось узнать известные сегодня неизменные характеристики материи и ее движения. Даже постоянство массы (в пределах справедливых для классической физики) — ныне для любого школьника очевиднейшее свойство — выявилось не «одним прекрасным утром». Долго были разные точки зрения на то, «куда земля девается, когда кол вбивается». Прогресс химии многое прояснил в проблеме сохранения массы. Когда же в нашем веке атомная теория показала, что химические законы всего лишь следствие законов физики, дальнейшее уточнение числа и формулировок законов сохранения стало привилегией физиков.

Исторически первой общей формулировкой принципа сохранения — «сохранения вещества и движения» — была формулировка М. В. Ломоносова.

«Но все встречающиеся в природе изменения, — писал он Леонарду Эйлеру 5 июля 1748 года, — происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимется у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого… Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Аккуратной, чуждой равно расточительству и наживе изображена здесь вездесущая природа: «Что у меня — тем пользуюсь; своим не поступлюсь, добавок не желаю».

Теперь закон сохранения вещества (точнее, массы), впервые высказанный Ломоносовым, объединен с законом сохранения энергии, в открытии которого в 1841 году основная роль принадлежала немецкому врачу Юлиусу Роберту Майеру. В основе названного объединения — соотношение специальной теории относительности E = mc², показывающее, что каждому изменению энергии (Е) тела соответствует вполне определенное изменение его массы (m) и обратно.

Так как постоянный коэффициент здесь (с² — квадрат скорости света) колоссальная величина, то из этого соотношения вытекает, что уже ничтожное изменение массы сопровождается огромным изменением энергии.

С законом сохранения энергии тесно связан закон сохранения количества движения, или импульса. Импульс — это произведение массы на скорость. Подобно скорости, импульс тоже вектор, то есть величина, определяемая не только абсолютным значением, но и направлением. Обе величины характеризуют движение, но закон сохранения импульса есть, а закона сохранения скорости не существует. Это означает, что скорость рангом ниже импульса, что она не фундаментальная величина, а ей место среди других величин, вроде перемещений и т. д.

В школе изучают закон сохранения импульса под названием третьего закона Ньютона, гласящего, что «действие всегда по величине равно, а по направлению противоположно противодействию». Не менее распространена, однако, и другая формулировка: «в отсутствие внешних сил полный импульс замкнутой системы частиц неизменен». Подчиняясь этому закону, импульс ружья при отдаче сразу после выстрела равен и противоположен по знаку импульсу пули; бегущий человек отталкивает ногами Землю назад (стань наша планета на миг по массе сравнима с ним, он вынудил бы ее крутиться наперекор извечному движению) и т. д.

Среди других важнейших законов сохранения — закон сохранения момента импульса (в простом случае тела, вращающегося по окружности, величина момента импульса равна произведению импульса на радиус окружности, по которой вращается тело).

Закон сохранения момента импульса утверждает, что полный момент импульса замкнутой системы остается неизменным. Если вы захотите испытать действие этого закона на себе, сядьте с двумя гирями в руках на винтовой «пианинный» стул. Раскрутитесь и постарайтесь вращаться, не опираясь ни на что. Горизонтально вытянув руки — с гирей в каждой из них, — вы будете вращаться довольно медленно. А потом согните руки, приблизьте их к груди. Скорость вашего вращения резко возрастет.

Фигуристы, выступающие на коньках, акробаты на трапеции, балерины, делающие пируэт, — все они с успехом применяют закон сохранения момента импульса, хотя, может быть, не догадываются об этом.

Среди широкоизвестных законов сохранения — закон сохранения энергии, о котором мы уже говорили. Физика называет и другие законы сохранения, например закон сохранения электрического заряда. Он гласит, что заряд не может ни появиться, ни уничтожиться; одна незаряженная нейтральная частица не в состоянии, например, превратиться в одну заряженную, хотя бы это превращение не противоречило всем остальным законам сохранения.

Квантовая механика показала, что и в микромире справедливы все законы сохранения, открытые для мира больших тел (хотя голоса сомнений в этом звучали далее в кабинетах корифеев). Вместе с тем в микромире выявились новые законы сохранения, такие, например, как сохранение «барионного заряда» и «лептонного заряда».

Барионами называются самые тяжелые элементарные частицы — протоны, нейтроны, гипероны и их античастицы; все они, за исключением протона и антипротона, распадаются сами собой и превращаются в конце концов в протоны, то есть снова в барионы; это одно из проявлений закона сохранения числа барионов или барионного заряда. В главке «Почерк природы» мы говорили, что благодаря этому закону частицы, из которых состоят все тела, никогда не смогут полностью превратиться в электроны и нейтрино.

Лептонами называются самые легкие элементарные частицы — нейтрино, электроны и их античастицы.

Последние исследования показали, что, кроме точных законов сохранения, существуют еще и приближенные, неточные законы сохранения. Бывает так, что некоторая физическая величина приблизительно сохраняется, если процессы идут очень быстро и заканчиваются в короткое время. Но в процессах медленных эта величина не сохраняется.

Типичным примером является такая квантовомеханическая, встречающаяся только в микромире и широкой публике неизвестная величина, как странность. Установлено совершенно строго, что если процесс протекает приблизительно за 10^-23 секунды, то странность сохраняется. А в иных, более медленных процессах, протекающих за время приблизительно 10^-10 секунды (в десять триллионов раз медленнее первых), странность не сохраняется.

Такая же картина наблюдается и для другой квантово-механической величины, так называемой четности. И эта величина сохраняется (во всяком случае, приблизительно) в быстрых процессах и не сохраняется в процессах медленных.

У вдумчивого читателя может возникнуть вопрос: «А от чего, собственно, зависит скорость процессов в микромире?»

Скорость процессов в микромире зависит в основном от рода сил, вызывающих этот процесс.

Мы говорили, что и во времена Ньютона и вплоть до самого начала нашего века ученым было известно только два рода фундаментальных сил природы: электромагнитные и тяготения. Все остальные, с которыми люди сталкивались в своей практике, были лишь следствием этих основных сил.

Микромир открыл перед человеческим взором еще два рода сил.

Одни возникают, когда два постепенно сближающиеся нуклона (протон — протон, нейтрон — нейтрон или протон — нейтрон, неважно, в каком парном сочетании) дойдут до расстояния 2,5?10^-13 сантиметра, они внезапно «почувствуют» такое сильное взаимное притяжение, что перед ним померкнет всякая другая сила. Этим силам дали название «сильных взаимодействий», и именно им обязаны быстрые процессы своим происхождением.