1. Неуничтожаемость вещества
Никогда мастер не создаёт своих изделий из ничего. Он только преобразует уже имеющийся материал. Например, гончар не создаёт горшок или кружку из ничего, а вылепливает их из глины, которую он откуда-нибудь взял.
Ни в одном явлении природы, ни в одном физическом или химическом опыте в лаборатории не наблюдалось случая, чтобы вещество возникало из ничего или чтобы оно совершенно исчезало.
Возьмём стакан горячего чая и растворим в нём кусок сахара. Сахар как будто исчез, — его не видно. Но вещество, составлявшее кусок сахара, не исчезло, а растворилось в чае. Если мы взвесим отдельно стакан чая и кусок сахара, то убедимся в том, что вместе они весят столько же, сколько стакан сладкого чая с растворённым в нём сахаром.
Химики могут, взяв 2 грамма невидимого, бесцветного газа — водорода и 16 граммов другого тоже невидимого газа — кислорода, заставить их химически соединиться и образовать 18 граммов воды. Они могут разложить воду на её составные части и тогда опять получат вместо 18 граммов воды 2 грамма водорода и 16 граммов кислорода.
Огородник бросает в почву мелкое зёрнышко — из нею вырастает огромная репа. Эта репа не возникла из ничего. Она выросла и приобрела свой вес за счёт усвоения растением воды и воздуха, за счёт усвоения питательных веществ из почвы. После долгого разведения овощей на одном и том же месте почва, как известно, истощается, и растущие на ней овощи дают всё меньший и меньший урожай.
Если мы сожжём в стеклянной закрытой банке вату, намоченную спиртом, то вата и спирт после сгорания не исчезают бесследно. Часть их превратится в копоть и золу, а часть — в газ, который смешается с воздухом, наполняющим банку. В банке останется столько же вещества, сколько было до горения. Разница будет лишь в том, что после сгорания часть вещества изменила свой вид.
Учёные проделали много других опытов, показывающих, что вещество неуничтожаемо, что оно вечно. Следовательно, и вселенная, состоящая из вещества, также вечна и неуничтожаема. Она никогда не могла быть созданной из ничего и никогда не сможет исчезнуть, хотя небесные тела, из которых она состоит, постоянно меняются.
2. Неуничтожаемость энергии и её превращения
Мы часто встречаемся с разными видами работы, которую могут производить те или иные предметы. Так, например, несущийся танк, налетев на дом, может его разрушить — он производит работу разрушения. Камень, падая на землю, вдавливает частички земли; порох при взрыве образует газ, который выталкивает снаряд из ствола орудия — он производит работу, выбрасывая снаряд. Пар, находящийся в котле паровой машины, содержит тепло, за счёт которого машина производит работу. Эта способность производить работу называется энергией. Энергия всегда связана с веществом и без вещества существовать не может. Всякое вещество обладает энергией в той или другой форме: энергией движения (как у танка и камня), химической энергией (как у пороха), тепловой энергией (как у горячего пара). Существуют и другие виды энергии.
Откуда же у предмета берётся энергия? Откуда, например, взялась энергия у танка? Эту энергию ему передал бензин, сгоревший в двигателе танка. Бензин, которым был заправлен мотор танка, содержал в себе в скрытом виде энергию. Скрытая энергия, содержавшаяся в бензине, при сгорании освободилась и перешла в энергию расширения, т. е. движения газов. Энергия расширения газов привела в движение танк, сообщив ему энергию движения. В порохе заключена скрытая химическая энергия. Она превращается при взрыве в энергию пороховых газов, передающуюся орудийному снаряду. Снаряд приобретает энергию движения; при ударе о преграду она переходит в энергию, идущую на разрушение вещества, в которое попадает снаряд, и частично на нагревание этого вещества.
Каждое тело обладает тем или другим запасом скрытой или явной энергии. Точными опытами установлено, что энергия может переходить от одного предмета к другому, но количество её остаётся неизменным. Энергия неуничтожаема так же, как и вещество; она может только превратиться из одного вида в другой. Так, например, тепловая энергия может быть превращена в световую энергию или в электрическую. На электростанциях уголь передаёт скрытую в нём химическую энергию в энергию тепловую, тепловая энергия переходит в электрическую, а электрическая переходит либо в энергию движения (например, в трамвае), либо в энергию опять-таки тепловую (в электронагревателях), либо в световую (в электрических лампочках и фонарях), либо в энергию радиоволн, посредством которых осуществляется радиопередача. Поднимая тяжёлый камень, мы затрачиваем энергию. Когда этот камень падает вниз, то его энергия уходит на вдавливание частичек земли и на небольшое их нагревание.
Количество энергии можно измерить и выразить в особой мере так же, как, например, расстояние можно измерить в километрах. Энергия всегда превращается из одного вида в другой, и точно установлено, что при всех этих превращениях общее количество энергии остаётся постоянным. Это — один из важнейших законов природы, называемый «законом сохранения и превращения энергии». Неуничтожаемость вещества и энергии при всех их превращениях является основным законом природы, показывающим их вечность. Этот закон был открыт нашим великим соотечественником М. В. Ломоносовым.
Рис. 2. Михаил Васильевич Ломоносов.
Материалистическая наука основывается в своих выводах на законе сохранения материи и энергии. М. В. Ломоносов сформулировал его в словах: «Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Из этого закона вытекает, что материя не может быть ни уничтожена, ни создана. — Начало сохранения материи всегда имело и будет иметь значение не только для естествознания и техники, но и для всего нашего мировоззрения. Это одна из основных предпосылок философии диалектического материализма. Начало сохранения материи служит надёжнейшим путеводителем при раскрытии тайны природы — происхождения небесных тел.
3. Всемирное тяготение
Когда какой-нибудь предмет ничем не поддерживается, он падает на Землю, потому что Земля его притягивает. Иногда говорят, что здесь действует «земное тяготение». Но этим свойством обладает не только Земля. Учёные установили, что все тела во вселенной притягиваются друг к другу с силой, которая тем больше, чем тяжелее эти тела и чем меньше расстояние между ними. Земля, Луна, Солнце, планеты, звёзды — каждое из этих тел притягивается к другому с некоторой силой. Поэтому тяготение всех тел друг к другу названо «всемирным».
Учёные поставили опыт, на котором было обнаружено притяжение друг к другу свинцовых шаров. На очень тонкой нити был подвешен в горизонтальном положении лёгкий стержень с двумя маленькими свинцовыми шариками на концах (рис. 3). К каждому из этих шариков было поднесено сбоку по большому свинцовому шару (с разных сторон от стержня). Тогда в каждой паре большой и маленький шары притянулись друг к другу и в результате этого притяжения стержень заметно повернулся. Такое притяжение нельзя было смешать с магнитным, которое бывает при приближении магнита к железу: свинец — не магнитное вещество. Здесь шарики притягивались по закону всемирного тяготения.
По закону всемирного тяготения все тела во вселенной притягиваются друг к другу, независимо от того, есть ли между ними ещё какие-нибудь тела или нет, независимо от того, из каких веществ состоят притягивающиеся тела, какова их температура и т. п. Земля притягивает Луну, и именно это притяжение заставляет Луну вращаться вокруг Земли. Своим притяжением Земля заставляет Луну двигаться прямо к Земле. Казалось бы, что Луна должна упасть на Землю. Но этого произойти не может потому, что Луна не находится в покое, а движется, и движение это направлено не к Земле, а в сторону (рис. 4).
Рис. 3. Опыт с шариками, подтверждающий закон всемирного тяготения. Большой и маленький шарики в каждой паре притягиваются друг к другу.
Рис. 4. Вращение Луны вокруг Земли. Стрелка I указывает направление, по которому Луна притягивается Землёй, а стрелка II — направление, по которому двигалась бы Луна, если бы не было всемирного тяготения. Двигаясь вперёд и одновременно притягиваясь к Земле, Луна описывает криволинейный путь.
Если бы не было всемирного тяготения и Земля не удерживала бы своим притяжением Луну, то Луна по прямой линии навсегда улетела бы прочь от Земли. Земля своим притяжением всё время сворачивает Луну с её прямолинейного пути и таким образом превращает её путь в круговой. Точнее, путь Луны вокруг Земли очень похож на круг, отличаясь от него только небольшой вытянутостью. Такая кривая линия называется эллипсом.
Земля обращается вокруг Солнца тоже по эллипсу, мало отличающемуся от круга, под действием притяжения Солнца. Притяжение Солнца заставляет вращаться вокруг него и другие планеты.
Тяготение к Земле, удерживающее Луну возле Земли, удерживает также и все предметы на поверхности самой Земли, и потому они двигаются вместе с ней. Брошенный камень снова падает на Землю под действием её притяжения.
Всемирное тяготение, проявляющееся на каждом шагу вокруг нас в нашей повседневной жизни, действует на всех расстояниях — оно существует во всей вселенной. В этом убедились учёные еще в прошлом столетии. Далеко-далеко от Земли — так далеко, что свет, несущийся со скоростью 300 000 километров в секунду, употребляет сотни лет, чтобы пройти это расстояние, существуют звёзды — далёкие солнца, вращающиеся друг около друга. Их движения показывают нам, что эти звёзды связаны взаимным тяготением так же, как Луна и Земля.
Одним из блестящих доказательств правильности закона всемирного тяготения было предсказание существования неизвестной ранее планеты. Приблизительно 100 лет назад учёные исследовали движение Урана — планеты, наиболее далёкой от Солнца среди всех тогда известных планет. Они подсчитали все притяжения, которые испытывает Уран как со стороны самого Солнца, так и со стороны всех остальных планет, которые тогда знали. Сравнив результаты своих вычислений с наблюдаемым движением Урана, учёные обнаружили, что это движение немного расходится с тем, которое получалось согласно подсчётам. В движении Урана получались непонятные отклонения или, как говорят, неправильности. Учёные заявили, что эти неправильности могут быть объяснены только тем, что ещё дальше от Солнца, чем Уран, находится неизвестная до сих пор планета: она-то своим притяжением и вызывает наблюдаемые неправильности в движении Урана. Мало того, учёные сумели вычислить положение неизвестной планеты в мировом пространстве и то место на небе, где она должна быть видна с Земли в определённый день и час. По указанию вычислителей на эту точку неба направили телескоп, и действительно, именно там была обнаружена неизвестная ранее планета. Эту планету назвали Нептуном.
Открытие Нептуна явилось замечательным подтверждением не только справедливости закона всемирного тяготения — одной из тайн, вырванных нами у природы, — но и способности человека на основе научных знаний предсказывать существование неизвестных раньше небесных тел.