Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
О том, как ученые искали возможность ориентироваться с «завязанными» глазами, как много раз возникали сомнения в справедливости принципа относительности Галилея, как потом он был расширен теорией относительности Эйнштейна, как ученые нашли было опору в абсолютном пространстве Ньютона, в эфире, затем отвергли его и совершенно неожиданно, уже в наши дни, обрели эту опору в «новом эфире», который никогда ничем не выдавал себя, но существование которого предчувствовал Эйнштейн, будет рассказано дальше. Будет рассказано и о том, как реальный опыт в кабине самолета, проведенный в 1976 году, готовился вступить в спор с мысленным экспериментом Галилея.
Принцип относительности вошел в науку триста лет назад и затем
Корабль Галилея — по сути планета Земля. Вот почему век за веком, год за годом ученые бились и бьются над проблемой ориентации во времени и пространстве. И год за годом, век за веком все более убеждаются в том, что слишком мало знают о таком, казалось бы, тривиальном явлении, как движение.
Принцип относительности Галилея глубочайшим образом связан с движением по инерции. Тело, свободное от действия сил, движется прямолинейно с постоянной скоростью или пребывает в покое, утверждает Галилей вопреки Аристотелю. Движение тел по инерции обязано пространству. Это оно, как выяснил много позже Эйнштейн, придает телам свойство инерции — свойство оставаться неподвижными или продолжать равномерное прямолинейное движение при отсутствии каких бы то ни было сил.
Почему это происходит? — особый вопрос, на выяснение его потрачены века. Понять истинный характер движения, происходящего как бы само по себе, без очевидной первопричины, было нелегкой задачей. Ни великий Аристотель, много размышлявший над проблемой движения, ни его наследники в науке не поняли истины. Почему? Потому что наблюдать движение по инерции в «чистом виде» в обыденной жизни практически невозможно. (Сила тяжести и трение делают движения реальных тел неравномерными. Трение, например, постепенно замедляет движение тела. Сила тяжести придает ускорение всем незакрепленным телам.) Но если нельзя наблюдать явление, остается один выход — представить, вообразить… Этим и занялись следующие пассажиры корабля Галилея.
Величайшим пассажиром, взошедшим на корабль Галилея, был Ньютон. Он воспринял и развил не только научные результаты, но и научный метод Галилея. От опыта к абстракции, к математической модели, к математическому анализу и к контрольным опытам. И если Галилей был первым великим физиком, то Ньютон был не только великим физиком, но и творцом новой математики, позволившей ему решать задачи, недоступные его предшественникам. И в этой многогранности основа мощи и величия Ньютона. Впрочем, может быть, правильнее сказать, что гениальность Ньютона позволила ему стать величайшим физиком и математиком всех времен, создателем классической науки.
Если на великой лестнице познания отметить всего три главные ступени, относящиеся к учению о движении, то это будут те, на которых начертано:
«Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие» (Аристотель).
«Скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления…» (Галилей).
«Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения» (Ньютон).
Первая фраза отражает заблуждение юной физики, выраженное устами Аристотеля. Вторая — иллюстрирует замечательное прозрение сути движения материальных тел, понимание одного из основных законов природы — закона инерции, сформулированного Галилеем. Третья — подтверждает великий процесс преемственности в науке, закрепления и развития истинных знаний, длящийся иногда на протяжении веков.
Чтобы подняться от Аристотеля к Галилею и Ньютону, человечеству понадобилось более пятнадцати веков и радикальная ломка системы научного мышления. Последователи Ньютона лишь шлифовали детали его механики и применяли ее в качестве орудия для дальнейшего развития науки и техники. Следующую ступень удалось возвести лишь через два с половиной века. На ней начертано имя Эйнштейна. Он понимает, что закон инерции — основа основ, но далеко не исчерпывает всех событий мира. Эйнштейн исследует вращательные движения, движения, включающие в себя замедления, ускорения, и ищет возможности ориентироваться в более сложном мире, которым правит не только закон инерции, но и другие законы движения.
Однако мы забежали вперед. Нам важны как идеи, так и пути обретения их. И тут мы должны проследить, как Ньютон наследовал Галилею. Ньютон продвинулся далеко по пути Галилея. Он завершил науку о движении, основанную на принципе относительности. Он принял закон инерции в качестве Первого закона динамики. Закон инерции мы заучиваем в школе наизусть, и, наверно, нет ни одного грамотного человека, который бы не помнил его. «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием действующей силы». Этот закон, который в науке о движении играет фундаментальную роль, нельзя вывести из непосредственного лабораторного опыта. Как мы уже знаем, мешает трение и сила тяготения. Этот закон открыт Галилеем (и сформулирован Ньютоном) в результате наблюдения и опытов с маятниками и наклонной плоскостью, позволяющих учесть мешающие факторы. Дальше этого Галилей не продвинулся, и Ньютон должен был один прокладывать путь через целину. Ему противостояли силы. Силы, действующие на тела. Нарушающие состояние покоя. Изменяющие величину и направление скорости. Силы, придающие ускорение тем телам, на которые они действуют.
Ускорение, этот результат действия сил, можно измерить, не опираясь на другие тела. Ускорение легко обнаружить в каюте корабля Галилея, если ветер подует в его паруса.
Галилей, да и его предшественники, конечно, чувствовали ускорение во время езды в повозках или наблюдая изменение скорости падающих тел. Но никто до Ньютона не ставил вопроса о том, что такое ускорение. Не задумывался над тем, как происходит изменение скорости тела под действием простейшей постоянной силы.
Несомненно, этому мешало отсутствие необходимого математического аппарата, способного описывать изменение измеряемых величин. Ньютон сам создал этот аппарат — метод флюксий. Но этого мало.
Для того чтобы подойти к пониманию природы ускорения и сформулировать Второй закон динамики, связывающий ускорение тела с его массой и действующей на него силой, Ньютон должен был ввести понятие абсолютного пространства, существующего независимо от присутствия в нем материальных тел, ибо ускорение можно почувствовать и измерить без какой-либо связи с внешними телами. Так понятие пространства, ранее считавшееся лишь философской категорией, приобрело физическую реальность, причем его свойства казались не зависящими ни от конфигурации расположенных в нем тел, ни от их масс, ни от их движения. Именно в этом смысле до сих пор понимают слова «абсолютное пространство». В этом же смысле является абсолютным и время в механике Ньютона. Его течение постоянно и одинаково везде и всюду. Оно не зависит от наличия, свойств и движений материальных тел.