Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Гравитация – чрезвычайно полезный инструмент. Отвесы и ватерпасы – дешевые и точные измерительные инструменты. Гравитация никогда вас не подведет и всегда укажет направление «вниз». Но если все вещи притягиваются друг к другу, то что можно сказать по поводу горы, которую я вижу в отдалении? Притягивает ли она меня? Что такого особенного в центре нашей планеты?

Мне нравится проводить время на морском побережье по многим причинам (волны, морская пена, солнечные закаты, морской бриз и т. п.), но больше всего меня привлекает освобождающее и ни с чем не сравнимое ощущение безбрежности моря. Когда я жила в Калифорнии, я снимала крошечный домик на самом берегу океана – так близко, что ночью был слышен шум прибоя. В саду у домика росло апельсиновое деревце, а с крыльца можно было наблюдать за течением окружающей жизни. В конце рабочего дня я любила приходить на берег океана, садиться на какой-нибудь крупный валун, отшлифованный морским прибоем, и любоваться солнцем, заходящим в Тихий океан. В детстве в Англии мне тоже нравилось прогуливаться по морскому берегу, наблюдая за рыбами, птицами или крупными волнами. Но когда я смотрела на океан в Сан-Диего, в моем воображении возникал образ планеты. Тихий океан безбрежен, занимая треть окружности, опоясывающей Землю по экватору. Наблюдая солнечный закат, я представляла гигантский шар, на котором живу. По правую руку от меня располагались (где-то очень далеко на севере) Аляска и Арктика, а по левую (гораздо дальше на юге) – Анды, тянущиеся почти до Антарктики. У меня едва не закружилась голова, когда я попыталась вообразить эти бескрайние дали. В какой-то момент мне даже показалось, что я непосредственно ощущаю в себе все эти места. Каждое из них изо всех сил притягивало меня к себе, а я, в свою очередь, притягивала их. Каждая частица массы притягивает к себе каждую другую частицу массы. Сила притяжения – чрезвычайно слабая сила. Даже маленький ребенок способен сопротивляться силе притяжения целой планеты. Тем не менее каждое из этих ничтожных по своей силе бесчисленных притяжений действует на нас. В совокупности они складываются в единую и вполне ощутимую для нас силу – гравитацию.

В 1687 году великий ученый Исаак Ньютон сформулировал в своей знаменитой книге Philosophiae Naturalis Principia Mathematica («Математические начала натуральной философии»[14]), более известно «Начала», Закон всемирного тяготения. Используя правило, согласно которому сила притяжения между двумя предметами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, он показал, что результатом сложения всех сил притяжения на нашей планете (между прочим, очень многие из них взаимно компенсируются) является единая сила, направленная вниз, к центру Земли, и пропорциональная ее массе и массе притягиваемого ею предмета. Гора, которая находится от вас на вдвое большем расстоянии, будет притягивать вас к себе в четыре раза слабее. Из чего следует, что удаленные объекты оказывают на вас меньшее воздействие. Но как бы далеко от вас они ни располагались, их притяжение все равно нельзя сбрасывать со счетов. Сидя на берегу океана и глядя на закат солнца, я испытывала притяжение со стороны Аляски с севера и со стороны Анд с юга. Но поскольку эти силы были направлены в противоположные стороны, они компенсировали друг друга. Поэтому единственной силой, действовавшей на меня, была сила гравитации, направленная к центру Земли.

Таким образом, несмотря на то что нас притягивают к себе (прямо сейчас!) Гималайские горы, знаменитый оперный театр Сиднея, ядро Земли и огромное множество морских ракушек, нам вовсе не обязательно об этом знать. Все эти сложности отпадают сами по себе, оставляя нас один на один с простым инструментом. Чтобы предсказать силу, с которой притягивает меня Земля, мне нужно знать лишь две вещи: 1) как далеко от меня расположен ее центр; 2) какова ее масса. Прелесть теории Ньютона – в ее простоте и элегантности, а также доказуемости на практике.

Тем не менее это не отменяет того факта, что сила притяжения – весьма странное явление. Несмотря на то что объяснение гравитации, предложенное Исааком Ньютоном, по праву считается блестящим, у него есть один маленький недостаток: оно не раскрывает механизма гравитации. Никто не спорит с тем, что Земля притягивает яблоко[15], но каков механизм этого притяжения? Может, здесь вступают в действие какие-то невидимые нити? Может, за них тянут какие-то сказочные эльфы или феи? Внятных объяснений на сей счет не существовало до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не разработал общую теорию относительности. На протяжении 230 лет между открытием Ньютона и появлением общей теории относительности применялась ньютоновская модель гравитации (впрочем, она широко используется и поныне), поскольку, как уже говорилось выше, она подтверждается на практике.

Хотя силы невидимы, практически на каждой кухне есть устройство, позволяющее их измерять. Без него у вас не получится воплотить в жизнь ни один рецепт из кулинарной книги (особенно если речь идет о выпечке). Потребность в таком измерительном приборе обусловлена тем, что количество имеет значение: вам приходится измерять количества ингредиентов, необходимых для приготовления тех или иных блюд, причем как можно точнее. Неупоминаемый критически важный компонент таких измерений – наличие объекта, сопоставимого по размеру с нашей планетой. Какое счастье для всех гурманов, что, сидя на табурете у себя на кухне, мы опираемся ногами на объект, название которому – Земля!

У меня на кухне хранится блокнот, в который я с девятилетнего возраста записываю рецепты. Кстати, я обожаю готовить по многим рецептам из детства. Одно из таких блюд – морковный кекс. Страница, на которой он записан, за многие годы изрядно истрепалась и вся в жирных пятнах. Рецепт начинается со слов: «Возьмите 200 граммов обычной муки». Итак, хозяйка поступает очень разумно, относясь к своим действиям как к чему-то само собой разумеющемуся: она насыпает немного муки в миску и измеряет силу, с которой мука притягивается к Земле. Разумеется, процесс выполняется с помощью обычных весов. Вы помещаете весы в зазор между Землей и миской с мукой и оцениваете силу сжатия пружины (если речь идет о пружинных весах). Сила притяжения между любым объектом и нашей планетой прямо пропорциональна массе этого объекта и массе Земли. Поскольку масса Земли неизменна, сила притяжения зависит исключительно от массы миски с мукой. Весы измеряют вес, который есть не что иное, как сила притяжения между миской с мукой и планетой. Но вес – это просто масса муки, умноженная на силу притяжения, постоянную на наших кухнях. Таким образом, если вы измеряете вес и знаете силу притяжения, то можете определить массу муки в миске. Затем вам нужно отмерить 100 граммов сливочного масла, поэтому вы кладете кусок масла в миску, после чего докладываете или отнимаете оттуда ровно столько масла, чтобы его количество, оставшееся в миске, сжимало пружину весов в два раза слабее, чем в случае с мукой. Весы – чрезвычайно полезный и простой прибор для измерения количества тех или иных материалов. Ими может пользоваться любой из нас. Тяжелые объекты тяжелы только потому, что содержат большее количество «материи», в результате чего Земля притягивает их сильнее. В открытом космосе нет тяжелых предметов, поскольку локальная гравитация слишком слаба и не обеспечивает их более или менее ощутимого притяжения – если, конечно, вы не приблизитесь вплотную к какой-либо планете или звезде.