М. Жаботинский, И. Радунская
Квинтэссенция
Задача физики состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы Природы, а затем по этим силам объяснить
остальные явления.
Ньютон
За видимым должно быть что-то еще, глубоко скрытое.
Эйнштейн
Возведи меня на высокую гору и покажи мне Мир и все Величье его.
Ибсен
Введение
Врожденная сила материи
Мы начинаем рассказ о развитии идей, лежащих в основе натуральной философии-физики. О процессах, происходящих в окружающем мире. О взаимодействиях и силах, управляющих Вселенной. О том, как человек познает Природу и выявляет скрытые в ней закономерности.
Уже в глубокой древности люди поняли, что движение возникает под действием сил. Что силы могут предотвращать и даже прекращать движение предметов. Каждый из нас ощущает действие сил. Никому не нужно объяснять, что это такое. Но за бесспорной очевидностью и в наши дни здесь обнаруживается нечто загадочное. Например, почему сила тяжести действует постоянно и неизменно, а все остальные силы, с которыми мы имеем дело, как правило, изменяются со временем?
До сих пор вновь и вновь возникают споры о силах инерции. Возрождаются сомнения в реальности этих сил. С этим встречался уже Ньютон. Он не только считал их реальными, но говорил о силе инерции как о «врожденной силе материи».
Эта особая сила проявляется только в том случае, если одно тело воздействует на другое, заставляя его выйти из состояния покоя или изменить скорость движения. Изменить величину или направление скорости.
Ньютон считал, что «врожденная сила материи» возникает только в том случае, когда одно тело деформирует другое. При этом сила инерции этого другого тела приводит к тому, что деформируется и первое тело.
Но даже великий Ньютон не знал и не догадывался о том, что существуют другие силы инерции, не имеющие ничего общего с «врожденной силой материи».
Эти силы инерции возникают во всех телах без их деформации. Ньютон ничего не знал о них потому, что они вошли в науку лишь в 19-ом веке. Их действие объяснил французский ученый Кориолис. Но его результаты не вышли за пределы узкого круга специалистов в области механики. Хотя их современник, географ академик К. Бэр был близок к пониманию загадки новой силы инерции. Он обратил внимание на то, что обычно правые берега рек — крутые, а левые — пологие. Почему так происходит? Он не знал. Это явление вошло в науку как «закон Бэра», таинственный и необъясненный…
Много позже физики установили, что «закон Бэра» — лишь одно из проявлений «неньютоновых» сил инерции… но пока сказать о них что-либо существенное никто ничего не мог…
Ньютон подбросил потомкам еще сюрприз: «массу тел» и «ускорение». Почву для этого подготовил Галилей. Вся его научная жизнь, все прозрения и догадки стали трамплином для Ньютона. Как говорил мудрый Аристотель — природа не терпит пустоты. И в год смерти Галилея на смену ему родился Ньютон. Ему предстояло додумать недодуманное Галилеем. И прежде всего разобраться с тяготением.
Ньютон продолжил исследования природы тяготения после многоточия, поставленного Галилеем.
Галилей, на основе своих опытов с маятниками, установил, что сила тяжести вызывает изменение скорости движения груза маятника. Но он не знал, почему и как это происходит.
Ньютон нашел объяснение. Для этого ему пришлось создать новую математику.
Математика позволила Ньютону понять, как изменяется скорость тела, если на него действует сила. Математика привела Ньютона к необходимости ввести в обиход науки новое понятие. Таким понятием стала скорость изменения скорости — ускорение. Одновременно в науку вошло еще одно понятие — масса.
Сегодня каждый образованный человек знает — масса является важнейшей характеристикой материи. Это мера количества материи.
Понятие массы позволило Ньютону сформулировать основной закон механики, связывающий ускорение любого тела с действующей на него силой: ускорение, приобретаемое предметом, пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе. Это стало вторым законом механики Ньютона.
Читатель вправе спросить: почему мы назвали закон основным, если Ньютон поставил его на второе место?
Это справедливый вопрос. Ньютон поставил на первое место другой закон механики — закон инерции. И этим задал потомкам немало работы…
Читатель вправе задать второй, не менее важный вопрос: еще Галилей установил, что все тела, независимо от их массы, падая с одинаковой высоты, приобретают в конце падения одинаковую скорость. Нет ли здесь противоречия со вторым законом Ньютона?
Вместе с этими законами механики Ньютон сформулировал еще важнейший закон — Закон тяготения. Совокупность этих законов стала основой того, что называют классической физикой.
Закон тяготения очень прост: сила взаимного притяжения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Но при всей его простоте в нем скрыты трудные вопросы. Некоторые решены, другие остаются без ответа, по сей день.
Смена богов
Общеизвестно, что вес тела определяется его притяжением к Земле. Почему при определении веса предмета не нужно принимать во внимание его расстояние от Земли и учитывать массу Земли? Мы не сомневаемся в том, что читатель ответит на этот вопрос. Вероятно, читатель попутно обдумает и то, как связан вес предмета с его массой. Является ли вес тела столь же фундаментальной характеристикой предмета, как его масса?
А вот еще вопросы, к которым мы хотим привлечь внимание читателя. Они тревожили не только Ньютона, но и других ученых на протяжении трех веков.
Прочтем еще раз формулировку второго закона механики. Обратим внимание на слово «пропорциональна». Какова эта пропорциональность? Ньютон не смог определить ее числовую величину из «первых принципов», хотя и стремился к этому. («Принципами» он называл основные характеристики явлений и процессов, которые ученый должен извлечь из наблюдений Природы или из специально проведенных опытов). Ньютон определил из опыта и из астрономических наблюдений величину коэффициента пропорциональности между силой, действующей на тело, и его массой.
Наиболее сложным из вопросов, связанных с законом тяготения, является вопрос о причине тяготения. Ньютон не нашел ответа на этот вопрос. Он пробовал опереться на свойства эфира, но не достиг цели.
Не он первый надеялся на помощь эфира.
Эфир вошел в обиход, когда римляне перевели на латынь труды древнегреческого философа Аристотеля. Аристотель учил, что весь мир состоит из сочетаний четырех сущностей: огня, воздуха, воды и земли. На этой основе он объяснял свойства всех веществ и предметов, ход известных ему процессов.
Одно оставалось необъяснимым —
