Например, если вы подбрасываете мяч, то сначала мяч обладает значительным количеством движения или кинетической энергии, поскольку, подбрасывая мяч вверх, ваша рука движется быстро. Взлетая на землей, мяч приобретает потенциальную энергию, так как большая высота дает ему большую способность производить более громкий звук «Бам», когда он падает на землю. Потенциальная энергия происходит от высоты (в гравитационном поле), или от большего расстояния от центра земли. В верхней точке своего полета, поскольку он летит не слишком высоко, мяч обладает небольшой кинетической энергией, или энергией движения. Однако, в этой точке, мяч обладает наибольшей потенциальной энергией. И затем, снова падая, мяч начинает терять потенциальную энергию, которая преобразуется в кинетическую энергию — или энергию движения — перед тем, как вы его ловите, или он ударяется о землю.
Поскольку энергия не может создаваться или уничтожаться, совокупная энергия — то есть, сумма потенциальной и кинетической энергий в любой точке — всегда остается той же самой. Это постоянство полной энергии называется законом сохранения энергии.
Вместо того, чтобы иметь дело с суммой энергий, принцип наименьшего действия касается разницы между кинетической и потенциальной энергией. Чтобы вычислить действие в каждой точке пути мяча, следует вычесть потенциальную энергию (ПЭ) из кинетической энергии (КЭ) (или энергии движения). Чтобы сделай полный расчет действия для пути мяча, вы должны производить это вычитание в каждой точке пути, и складывать эти величины для всех точек восходящего и нисходящего движения мяча (и умножать каждое приращение на время, как требует уравнение действия:
Действие = (КЭ — ПЭ)Время
Результатом является общее действие. Для мяча, звезды, или даже маленькой частицы, действие, по существу, определяется разностью КЭ — ПЭ в каждой точке пути. Принцип действия гласит, что природа отдает предпочтение путям, которые сводят действие к минимуму.
С учетом количества времени, необходимого мячу для достижения того места, куда вы хотите его бросить, вы, быть может, думаете, что могли бы бросать его вышке или ниже, быстрее или медленнее. Но природа противится вашим попуткам. Для данного количества имеющегося времени, закон наименьшего действия утверждает, что мяч будет выбирать и «знать», какую из различных возможностей использовать. Мяч будет находить единственный путь с наименьшим действием! Фейнман и многие другие утверждают, что мяч — или его аналог в квантовом мире, например, электрон — как будто «разведывает» все пути, и выбирает путь, требующий наименьшего действия.[100]
Большинству из нас известно, что бросание мяча подчиняется фундаментальному принципу Ньютона, согласно которому, сила будет вызывать ускорение мяча:
Сила = Масса Ускорение
Но удивительно то, что закон Ньютона и даже закон постоянства энергии в замкнутой системе можно обнаружить в принципе наименьшего действия. Это принцип определяет, как будет двигаться мяч или частица. Принцип наименьшего действия гласит, что
Природа говорит нам, что при данном количестве времени для броска, мяч мог бы двигаться по множеству возможных путей. Однако, принцип наименьшего действия утверждает, что мяч «разнюхивает» все доступные пути (или обладает своего рода осведомленностью о них), выбирая тот, который связан с наименьшим действием. Этот путь показан на рис. 11.2 жирной линией.
Вы можете думать о мяче, по меньшей мере, двумя способами. Вы можете думать, что, будучи брошен, он движется с ускорением, или вы можете думать о нем с точки зрения осознания — что, исходя из времени, нужного для перемещения из одного места в другое, мяч «выбирает» путь с наименьшим действием.
(Рисунок 11.2. У мяча есть много возможных путей, но только путь, показанный жирной линией, предполагает
Эта идея отчасти аналогична представлению физиологии, согласно которому, энергия, которую мы используем для движения, уравновешивается нашей потенциальной энергией. Чтобы экономить энергию, ваше тело работает с доступной ему энергией. Вы можете использовать больше энергии, чем у вас есть в данный момент, но тогда вы расплачиваетесь за это на следующий день.
Принцип наименьшего действия Лейбница «Vis Viva»