Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Ни один из хитроумных опытов, проведенных в каюте этого корабля, не позволяет определить: неподвижен корабль или он движется прямолинейно с постоянной скоростью?

Вот как Галилей описывает этот мысленный опыт: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд…

Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки…) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находится под палубой…»

Этим мысленным опытом, обобщающим целый ряд реальных наблюдений и экспериментов, Галилей добился двух целей. Прежде всего он опроверг перед читающей публикой возражения последователей Аристотеля против движения Земли. Они говорили, что все механические движения на поверхности Земли происходят так, как если бы Земля была неподвижна. Если бы она двигалась, разъясняли они, все было бы иначе.

Но Галилей утверждает: все механические движения на движущейся Земле происходят точно так же как и на неподвижной, ибо она за время опыта движется практически прямолинейно и равномерно, как корабль, о котором мы рассказали.

Второй более важный результат, извлеченный Галилеем из этого мысленного опыта — принцип относительности. Он рассуждал так: на основании опытов, проведенных под палубой корабля, нельзя судить о том, неподвижен корабль или он движется прямолинейно с постоянной скоростью. Тем более невозможно, не выглядывая наружу, определить скорость корабля, движущегося прямолинейно и равномерно.

Другое дело, если вы смотрите на движущийся корабль с берега. Тогда можно, не заглядывая под его палубу, вычислить как протекают там все физические явления. Для этого нужно, например, к скорости падающей капли добавить скорость корабля. Тогда станет ясно, что падающая капля будет догонять сосуд, «стоящий» под «висящим неподвижно» ведерком.

Так же нужно прибавлять к скорости движущихся насекомых и рыб скорость движения корабля. И станет понятно, почему они не наталкиваются на стенки.

Из этого следует вывод: рассуждая о движении, следует учитывать, что оно всегда происходит относительно чего-то.

Таков принцип относительности.

Суть его проста: все механические явления остаются неизменными, если лаборатория, в которой проводятся опыты, неподвижна или движется прямолинейно с любой постоянной, по величине и направлению, скоростью.

Экспериментатор, находящийся в одной из таких лабораторий, может при помощи несложных вычислений установить, что показывают приборы в другой лаборатории, если эта вторая лаборатория тоже неподвижна или движется прямолинейно с любой постоянной, по величине и направлению, скоростью.

Мысленный опыт Галилея на века определил развитие науки. Исходя из него, Ньютон сформулировал первый из законов движения.

Так рождалось то, что мы называем классической физикой. Только в 1905 году Альберт Эйнштейн обнаружил, что принцип относительности Галилея нуждается в уточнении, если лаборатории, в которых расположены приборы, движутся одна относительно другой очень быстро. Очень — значит близко к скорости света. Галилей конечно не мог предполагать, что при больших скоростях его принцип относительности нуждается в уточнении.

Но мы забежали вперед. Мы еще поговорим об Эйнштейне и его теориях, а теперь…

СВОД ЗАКОНОВ. СЛОВО ЗА НЬЮТОНОМ

Теперь мы перейдем рубеж, впервые преодоленный Ньютоном. Этот рубеж окончательно отделяет новую физику от старой.

Мы знаем, что первые шаги к этому рубежу сделал Галилей. Он разрушил многовековые догмы, введенные в физику Аристотелем. Он создал новый научный метод: нужно ставить опыты, из анализа опыта извлекать следствия и проверять их справедливость дополнительными опытами.

Он поддерживал и пропагандировал учение Коперника, за что был осужден католической церковью (осенью 1992 года она признала это осуждение ошибочным).

Галилей, обходясь лишь виртуозными и простыми экспериментами и мысленными опытами, сделал колоссальный шаг в понимании природы сил.

На основе своих опытов с маятниками Галилей заключил, что сила тяжести вызывает изменение скорости и проверил правильность этого вывода опытами с движением тел по наклонной плоскости.

Но при обсуждении своих опытов Галилей обходился простой математикой. Это помешало ему продвинуться дальше.

Ньютон вероятно тоже не добился бы большего, если бы был только гениальным физиком. Но он был и гениальным математиком. Он осознал, что математика, известная его современникам, не достаточна для дальнейшего развития науки. Со свойственной ему настойчивостью и трудолюбием он размышлял об этом и установил, что существовавшая математика не позволяет изучать связь между силой и вызываемым ею изменением скорости.

Придя к этому выводу, Ньютон самостоятельно создал новую математику — исчисление бесконечно малых величин — то, что сейчас изучают старшие школьники и студенты под названием дифференциального и интегрального исчисления.

Ньютон ревностно отстаивал свой приоритет, но никогда не умалял заслуг других ученых. В своем величайшем труде «Математические начала натуральной философии», ставшем фундаментом современной физики, он упоминает о письме, в котором сообщал весьма искусному математику Г. В. Лейбницу о созданной им совершенно новой математике. Он писал: «Знаменитый муж отвечал мне, что он тоже напал на такую методу, и сообщил мне свою методу, которая оказалась едва отличающейся от моей, и то только терминами и начертанием формул».

Именно создание новой математики позволило Ньютону выявить и записать математическими символами то, что мы теперь называем вторым законом Ньютона — связь между изменением скорости предмета и действующей на него силой. Так начался путь к новой механике, так был преодолен рубеж, отделяющий новую физику от старой.

Этот закон, после того, как он был открыт и записан Ньютоном, выглядит очень просто. Он гласит: изменение скорости тела пропорционально действующей на него силе.

Скорость изменяется по величине или направлению в течение всего времени, пока действует сила. Скорость растет или изменяет свое направление несмотря на то, что сила остается постоянной! Конечно, как величина, так и направление скорости могут изменяться одновременно.

Подчеркнем, что Ньютон пришел к этому не только поняв, что скорость тела и ее изменение связаны между собой, но и сумев описать эту