под действием этой силы, как камень, находящийся под действием силы тяжести, обладает некоторым запасом скрытой энергии. И величина этой энергии, так же как величина потенциальной энергии камня, зависит от положения, которое занимает электрон.
Различным положениям электрона соответствуют различные уровни энергии, и, когда он переходит с более высокого уровня на более низкий, часть энергии освобождается.
Примерно такую картину можно себе представить, когда, например, атомы углерода угля или дерева начинают взаимодействовать с атомами кислорода воздуха. Процесс такого взаимодействия называют горением, а освобождающаяся при этом процессе энергия принимает форму тепла, или тепловой энергии. А скрытую энергию, которой обладали электроны до того, как начался процесс горения, называют химической энергией. Значит, любой горючий материал: уголь, дрова, нефть, бензин — является резервуаром химической энергии.
Миллионы людей при помощи десятков тысяч машин добывают сотни миллионов тонн угля, нефти, торфа. Добывают только для того, чтобы потом их сжечь. Значит, в шахтах, на нефтепромыслах и торфоразработках в конечном счете добывают химическую энергию, чтобы потом превратить ее в тепловую энергию.
Электрические заряды — вот источник сил, действующих внутри атома, а носителями этих зарядов служат материальные частицы. И какой бы химический элемент мы ни взяли, он содержит только два вида электрически заряженных частиц. Одни из них — электроны — несут отрицательный заряд. Легким облачком они совершают непрерывное кружение вокруг ядра. А в ядре содержатся частицы другого вида — протоны; они несут положительный электрический заряд. Заряженные частицы определенным образом взаимодействуют между собой. Так частицы с одинаковым зарядом отталкивают одна другую; частицы, несущие различные заряды, притягиваются. Так притягиваются друг к другу электрон и протон. Все протоны сосредоточены в ядре — значит, все ядро в целом несет положительный заряд.
Положительный заряд ядра удерживает электроны, как вращающаяся веревка удерживает привязанный к ней камень. В обычных условиях величина положительного заряда ядра в точности равна отрицательному заряду окружающих ядро электронов. Эти заряды уравновешивают друг друга, и атом оказывается электрически нейтральным. Мы не замечаем и не можем заметить действия сил, скрытых внутри атома. Но если нарушить электрическое равновесие между электронами и протонами, то электрические силы выходят за пределы атомов и проявляют свое действие в форме электрической энергии.
В природе не существует естественных запасов электрической энергии, подобных запасам химической энергии. Человек должен создавать искусственные источники электрической энергии — электростанции. На тепловых электростанциях в электрическую энергию превращается химическая энергия топлива, на гидростанциях — механическая энергия движущейся воды.
Мысленно проникнув в атом, человек нашел там много интересного. И это не только не удовлетворило, а, наоборот, еще больше разожгло его любопытство. И он двинулся в глубь атома — в ядро. Оказалось, что составляющие его мельчайшие частицы — протоны — держатся вместе благодаря действию особых, внутриядерных, сил. Протоны внутри ядра тоже могут находиться на различных энергетических уровнях, и — что самое главное! — раскалывая ядро, их можно заставить переходить с одного энергетического уровня на другой. А при переходе с одного уровня на другой, как при падении камня, освобождается скрытая в ядре ядерная энергия.
Поняв это, человек попробовал прикинуть, какое количество энергии можно добыть, вторгшись в ядро. Результаты вычислений поначалу изумили его. Он проверял выкладки, он придумывал десятки хитроумных опытов. Открытия и изобретения сыпались одно за другим, как из рога изобилия. Наконец он сказал: «Мои выкладки и вычисления сделаны правильно! Я стою на берегу бездонного океана энергии!»
Мы начали с жалобы на неудобный внешний мир, сопротивляющийся всем нашим действиям. А в конечном счете оказывается, что он дает человеку средство — энергию — для преодоления этих сопротивлений.
Когда говорят «о тепловой энергии», «электрической энергии», «химической энергии», «атомной энергии», то этим лишь указывают источник, из которого черпается возможность произвести в конечном счете механическую работу и способ, посредством которого такое вычерпывание можно сделать.
Как опытный актер, перевоплощаясь, выступает на сцене в самых различных обличьях и вместе с тем остается самим собой, так и энергия, оставаясь одним и тем же качеством, принимает самые различные формы. Она может оставаться на месте и может путешествовать. Ее можно использовать для самых различных целей, самым различным образом. Ее можно хранить, передавать, преобразовывать. Только двух операций нельзя проделать над энергией: нельзя ее уничтожить и добыть из ничего!
В течение нескольких сотен лет люди изобретали «вечный двигатель» — машину, которая, будучи приведена в действие, выполняет полезную работу, не используя внешнего источника энергии. Двести лет назад это бесполезное занятие было простительным. Тогда еще не был сформулирован с предельной ясностью закон сохранения энергии.
Самое удивительное, что подобные «изобретения» до сих пор поступают на рассмотрение в Комитет по изобретениям и открытиям и в Академию наук.
Авторы (среди них попадаются даже люди, обремененные высшим техническим образованием), конечно, не называют свое детище «вечным двигателем». Наоборот, они выбирают для него самое наукообразное название. Это может быть «инерционный движитель», «гравитационный двигатель», «трансформатор мощности». Их машине, конечно, нужна мощность. Но все дело в том, что они, авторы, так удачно компонуют шестерни, рычаги, пружины и маховики, так удачно используют магнитную индукцию и свойства электромагнитного поля, что эти машины выдают энергии гораздо больше, чем потребляют.
Да, конечно, они знают о законе сохранения энергии, но ведь этот закон выведен на основании опыта и только опыта. Но с изобретенной ими машиной опытов еще не делали; вот они и просят, предлагают, требуют, чтобы их машину построили и попробовали; они, авторы, гарантируют успех. А если эксперты и ученые не верят, то пусть немедленно разработают полную теорию новой машины и найдут ошибку. Если такая ошибка обнаружится, то они сумеют ее исправить, после чего машина будет выдавать уже не вдвое, а втрое больше энергии, чем она потребляет. Получив отказ, они представляют «улучшенный» проект, и все начинается сначала.
Они, конечно, знают о законе сохранения энергии, но ведь этот закон основан только на опыте. А с их улучшенной машиной опытов не делали. И они предлагают, настаивают, требуют…
Трудно подсчитать вред, который приносят такие «изобретатели», даже если заблуждаются неумышленно. Они бесполезно расходуют свою энергию, не забывая восстанавливать ее из общественных источников. Они вовлекают в бесполезные обсуждения и переписку бесчисленных экспертов, рецензентов, ученых…
И все это несмотря на то, что в любом школьном учебнике физики, в любой энциклопедии, в популярных книжках объясняется самым исчерпывающим образом абсурдность идеи создания «вечного двигателя».
Вот почему мы здесь не будем еще раз разбирать уже набившие оскомину проекты «вечных двигателей» с перекатывающимися шариками, с водой, которая сама течет вверх, с машинами, которые сами себя «за уши» поднимают в воздух и из «ничего» делают «нечто».
Но, конечно, за любознательным читателем, даже если он твердо уверен в том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, всегда остается право спросить, откуда она берется. Откуда она взялась в пище, что мы едим, в угле, который сжигают в топках? Откуда взялась энергия в стакане молока и в лучах Солнца?
Зная это, легче понимать, как действуют и те автоматы, что превращают энергию из одной формы в другую, и те, что используют ее для выполнения полезной работы.
Энергию, которую содержат хлеб, овощи, фрукты, дают нам растения. Животные, от которых мы получаем мясо и молочные продукты, также питаются растениями. Энергия, заключенная в стакане молока, перешла туда от растений, скормленных корове. Вся энергия, которую мы получаем с пищей, была некогда заключена в растениях. Откуда она там взялась?
Чтобы растение могло жить и расти, ему нужны в достаточных количествах вода и углекислый газ, почерпнутые из земли и воздуха. Из этих веществ в растениях образуется сахар, а из него другие необходимые растению вещества. Однако чтобы из воды и углекислого газа мог образоваться сахар, необходима энергия. Поставщиком этой энергии служит Солнце. Процесс, посредством которого растение производит сахар из воды и углекислого газа с помощью солнечной энергии, называется фотосинтезом. В результате этого процесса световая энергия Солнца преобразуется в химическую энергию, заключенную в сахаре. Значит, источником энергии, которая содержится в пище, служит Солнце. Поток солнечных лучей начинает ту бесконечную цепочку преобразований, которые претерпевает энергия, щедрым потоком льющаяся с его поверхности сегодня так же, как она лилась миллиарды лет назад. За это время Земля впитала гигантские запасы солнечной энергии.
Миллиарды лет назад, как и сейчас, шел процесс фотосинтеза и в растениях накапливалась энергия. А затем растения умирали, падали на землю, сгнивали, на них падали еще растения и еще, образовывался торф. Затем время покрывало торфяные болота бесчисленными слоями песка, земли и заливало водой. Гигантское давление спрессовывало торф, и постепенно он прекращался в каменный уголь. В торфе и в каменном угле осела та энергия, которая некогда совершила путешествие длиной в 150 миллионов километров!
Вся энергия, которую человечество когда-либо использовало, использует или будет использовать, уже существует в той или иной форме в природе. Источником этой энергии служит Солнце. Откуда она там взялась? Неистощимое тепло Солнца имеет своим источником ядерную энергию солнечного вещества. Непрерывно Солнце сжигает само себя, но настолько велики запасы этой энергии, что оно будет все так же греть еще многие миллиарды лет.