При падении тело разовьет скорость, и потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Главное, что закон сохранения энергии соблюден.
Однако, не все так просто в этих догмах. Если бросать тело в яму, т.е. относительно другого нулевого уровня, то конечная скорость будет больше, как и исходная потенциальная энергия. Однако, что собственно изменилось в теле, если его поместили над ямой? Да ровно ничего!
Поэтому уточняют, что потенциальная энергия - это не столько свойство самого тела, сколько свойство системы. И это свойство уже сильно зависит от геометрии этой системы и от наличия препятствий для сближения тел. Т.е. информации о массе системы еще недостаточно для того, чтобы что-то сказать о кинетической или тепловой энергии, которой можно попользоваться.
Тогда естественно возникает вопрос о максимуме энергии, который можно извлечь при наиболее удачной геометрии системы. На этот счет даже ученых завораживает формула Эйнштейна E=mc2, которая вроде бы однозначно указывает, по крайней мере, на максимум энергии.
Но так ли это? Согласно закону всемирного тяготения, который не отменен даже Эйнштейном, сила гравитации между любыми двумя пылинками обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. При сближении пылинок эта сила проделает работу (а работа - это сила на путь), равную с точностью до постоянного коэффициента интегралу от 1/RR * dR, который в итоге равен бесконечности!
(Кто не силен в интегралах, для тех есть расчет на школьном уровне. Весь путь до сближения надо разбить на части точками в 1/2, 1/3, 1/4 пути и т.д. Тогда длина текущего участка равна 1/n - 1/(n+1) = 1/n/(n+1), сила гравитации в начале участка пропорциональна n в квадрате и далее на участке будет только расти, так что работа на участке будет более nn/n(n+1) = n/(n+1), что стремится 1 и, по крайней мере, всегда не меньше 1/2. А поскольку участков бесконечное количество, то суммарная работа, т.е. полученная энергия, бесконечна.)
Разумеется, этот вывод сделан в предположении, что закон всемирного тяготения действует на любых микроскопических расстояниях. Но философия и практика подсказывают, что нельзя продолжать в бесконечность наблюдаемые конечные процессы. Тем не менее, никаких проколов в законе всемирного тяготения пока не обнаружено. Если закон прекращает где-то свое действие, то очень уж далеко, успев потрудиться предостаточно.
И труды закона всемирного тяготения - на лицо: солнечное тепло, взрывы сверхновых звезд и, вообще, гуляющие повсюду колоссальные энергии. Правда, история вопроса не проста. Когда атом считался неделимым, в XIX веке свечение Солнца тоже пытались объяснить гравитацией. К этом приложили руку, в частности, Г.Гельмгольц и Дж.Томпсон. Однако, численные расчеты не подтверждали наблюдаемое количество тепла.
Для расчета использовали понятие потенциальной, или гравитационной энергии звезды. Это: работа, которую надо затратить, чтобы распылить вещество звезды на бесконечность. И наоборот, эта энергия высвобождается при сжатии звезды, т.е. при уменьшении ее радиуса. Для этой энергии есть несложная формула, в которой энергия обратно пропорциональна радиусу звезды. Любопытно, что и в этом случае при сжимании в точку получается бесконечная энергия. Другое дело, что сам радиус R становится непреодолимой преградой на пути к этому источнику изобилия, а то, что достигнуто при сжатии до R, - весьма скромно и никак не может обеспечить реальное свечение Солнца.
Открытие термоядерных реакций, казалось бы, решило проблему или, по крайней мере, надолго всех удовлетворило. Однако, это не снимает вопроса о том, каким образом в столь мелкие объекты микромира могла затесаться и вообще поместиться там колоссальная энергия.
Ссылаются на формулу E=mc2 и часто вульгарно трактуют ее как превращение массы в энергию. Мол, масса исчезла. Но так ли это? При слиянии водорода в гелий масса полученного гелия действительно меньше, чем у исходных атомов водорода. Но значит ли это, что она исчезла вообще? Да ничего подобного! Она улетела из одного нашего поля наблюдения, но легко обнаруживается в более широком поле, так же как при горении дров уменьшается их масса, но остается неизменной общая масса продуктов горения. Вылетевшие при термоядерной реакции фотоны и прочие излучения легко обнаруживаются внешним наблюдателем по ударной волне, нагреву облученных предметов и т.п.
Между прочим, формула E=mc2 может быть выведена из классической физики согласно формуле для кинетической энергии: масса на квадрат скорости и пополам. Именно половину от mc2 унесла с собой кинетической энергии улетевшая со скоростью света масса m, а другая половинка осталась в качестве отдачи атомам гелия и проявилась в их температурном нагреве. Т.е. всего ровно mc2.
По одной из версий энергия в объектах микромира запаяна наподобие сжатой пружины, а затем высвобождается, когда пружина отпущена. Наглядно, но не подтверждается наличием самой пружины и автора (кроме как Бога), который эти пружины сначала сжал.
Более правдоподобна версия, что энергия не хранится в самих частицах, а приходит извне под действием гравитации. И несложный расчет обнаруживает теоретически бесконечный источник этой энергии.
Таким образом, термоядерные реакции не отвергают, как это казалось долгое время, гравитационный источник энергии Солнца, но переносят этот источник с межатомного на внутриатомный уровень. Прежняя "гравитационная энергия звезды", определяемая ее радиусом, - это далеко не вся потенциальная энергия. Львиная и чуть ли не бесконечная ее доля сосредоточена в каждой паре сближающихся пылинок и частиц.
В связи с этим нелишне уточнить взгляд на закон сохранения энергии. Нет, Боже упаси покушаться на эту догму! Энергия вовсе не стала девицей легкого поведения. Но судя по теоретическим расчетам и по катаклизмам во Вселенной, энергия, хоть и вполне закономерно, может реально и в неожиданных для человека количествах возникать почти из ничего, из любой пары пылинок.
К сожалению, происхождение самой гравитации по-прежнему остается одной из величайших загадок, несмотря на ряд пытающихся объяснить ее теорий. Непомерные появления энергии и даже уже традиционное эйнштейновское искривление пространства трудно понять без привлечения более широкого пространства, в котором пока неизвестные нам силы растягивают пространство или подают нам дополнительную энергию.
Долгое время одной из главных гипотезой происхождения Вселенной является теория Большого Взрыва. Что было ДО ТОГО - покрыто туманом. Но теперь в литературе высказывается предположение, что взорваться могла черная дыра. Правда, ни одного такого взрыва люди пока не наблюдали. А главное, не совсем понятно, откуда возьмется огромная энергия, способная разорвать путы черной дыры, из которой даже свет не может вырваться на свободу.
Однако, все тот же приведенный выше расчет показывает, что нужная энергия может образоваться при достаточном сжатии черной дыры. Таким образом, наблюдаемая нами Вселенная, вероятно, является одной из многих других взорвавшихся дыр в более широком пространстве. Точнее, это одно и то же пространство, но из нашей местности оно пока не наблюдаемо известными нам средствами.
И еще немного о массе, как о мере инертности. Возможно, черная дыра при взрыве порождает гораздо большую массу, достаточную для образования таких масштабных вселенных, как наблюдаемая нами. Согласно Эйнштейну масса тел растет, причем до бесконечности, при разгоне их до скорости света. Однако, помятуя многочисленные парадоксы и неувязки теории относительности, можно привести доводы и из классической физики.
Наверное, каждый испытывал на себе давление ветра. При большей его скорости эффект будет точно таким же, как от большей массы при меньшей скорости. Аналогично вездесущий гражданин в обществе, как слуга двух господ, кажется присутствующим в большем количестве, чем какой-нибудь лентяй и домосед. Энергия - это как раз то слагаемое, которое делает объекты значительнее, можно сказать, массивнее.
Нетрудно в теории и на практике убедиться, что нужно гораздо больше энергии для изменения траектории быстро движущего объекта. В этом смысле быстро движущийся объект, как ни странно, более инертен. Поэтому в элементарных частицах, даже не спешащих никуда самих по себе, внутренние быстрые движения и вращения обеспечивают их инертность.
Энергия взорвавшейся черной дыры могла уйти на вращение мелких частиц и тем самым сделать эти частицы большими в смысле более весомыми по их энергии и массе. Речь не идет об образовании из ничего новой материи. Но прежние более мелкие и малозначительные частицы, облагодетельствованные дополнительной энергией, фактически становятся совсем другими солидными образованиями, из которых уже по известным ученым схемам образуются атомы и т.д.