Здравый смысл подсказывает, что при торможении шарик должен отклониться вперед. Ход рассуждений при этом может быть приблизительно таким: когда водитель нажимает на тормоза, автомобиль замедляется, то есть испытывает отрицательное ускорение. Но это ускорение не передается шарику, и он по инерции должен продолжать двигаться вперед. Таково следствие первого закона Ньютона, который гласит, что тело будет продолжать двигаться в прежнем направлении до тех пор, пока к нему не будет приложена некая сила.
Но на деле происходит совершенно иное. Чтобы это понять, необходимо воспользоваться эйнштейновским принципом эквивалентности. При торможении автомобиль ускоряется в заднем направлении. Поскольку ускорение и гравитация эквивалентны, это означает, что создается гравитационная сила, направленная вперед. (Вспомните пример с ракетой, с которого начиналась глава. Если ракета летит с ускорением вверх, то создается гравитация, направленная вниз.) Таким образом, когда автомобиль тормозит, ваше тело отклоняется вперед за счет «гравитации», созданной ускорением.
А теперь подумайте, как ведет себя шарик с гелием, когда он испытывает на себе нормальное гравитационное воздействие, направленное вниз. Он стремится вверх, то есть в направлении, прямо противоположном гравитации, поскольку он легче воздуха и на него действует выталкивающая сила. Это значит, что если гравитационная сила, созданная ускорением автомобиля, направлена вперед, то шарик будет отклоняться в противоположном направлении, то есть назад. Именно это и происходит в действительности.
Гравитация – самая очевидная из четырех природных сил, благодаря которым существует тело человека. Ее невозможно не заметить. Без гравитации нас бы вообще не было. И дело не только в том, что сила тяготения удерживает нас на поверхности планеты, а Землю – на орбите вокруг Солнца. Ведь именно гравитация позволила сформироваться самому Солнцу, да и планетам тоже. Примерно 4,5 миллиарда лет назад существовало лишь облако пыли и газа, которое под действием силы гравитации со временем уплотнилось, и из него образовались Солнце и планеты. Эта всепроникающая сила впоследствии привела Солнце в действие, сжав его до такой степени, что в нем началась реакция термоядерного синтеза, дающая нам тепло и свет.
Гравитация дает нам еще несколько преимуществ. У астронавтов, долгое время проводящих в космосе, мышцы атрофируются, а кости становятся более слабыми. Вполне возможно, что мы вообще не смогли бы жить без гравитации. Когда отсутствует постоянная сила, направленная вниз, даже дышать становится труднее. Без нее печень поднимается вверх, сдавливая легкие и затрудняя движения диафрагмы. Ребенок, родившийся в условиях невесомости, скорее всего, не выжил бы.
Трудности в невесомости испытывают и другие живые существа. Дарвин предположил, что сила тяготения необходима растениям, чтобы корни росли вниз. В космосе корни действительно беспорядочно растут во все стороны.
Кроме того, в ходе эксперимента, проведенного на Международной космической станции (как ни странно, его спонсором являлась компания КРС, специализирующаяся на жареных цыплятах), было установлено, что желтки, в отличие от нормальных условий, располагаются в центре яйца, а не сдвигаются ближе к скорлупе под действием силы тяжести. В связи с этим зародыши развиваются неправильно и не могут вылупиться.
Электрические и магнитные силы
И все же, несмотря на свою очевидность и ту важную роль, которую гравитация играет для Вселенной и человеческой жизни, она является самой слабой из всех четырех сил. Это особенно заметно в сравнении с другой силой, с которой мы встречаемся на каждом шагу и которая тоже имеет чрезвычайно важное значение для нашего тела, – электромагнетизмом. Сфера ее действия не ограничивается только электрическим феном и магнитиками, которые мы крепим к холодильнику. Электромагнитные силы лежат в основе взаимодействия любых тел в мире.
Как только два тела вступают в непосредственный контакт (например, когда вы что-то трогаете, толкаете или на что-то садитесь), между ними возникает электромагнитная сила. Нажимая клавишу компьютера, вы, должно быть, полагаете, что ваш палец касается пластика. На самом деле электроны атомов, из которых состоит палец, отталкиваются от электронов атомов, из которых состоит клавиша. Между ними не происходит контакта. Нажатие клавиши осуществляется за счет электромагнитной силы отталкивания.
Точно так же электромагнитные силы проявляются и в парке развлечений, когда ваше тело вступает в контакт с сиденьями аттракционов, а колеса тележки, в которой вы катитесь по американским горкам, – с рельсами. Разумеется, гравитация тоже вносит свой вклад. Благодаря принципу эквивалентности вы знаете, почему ваше тело кажется тяжелее, когда вы, скатившись вниз, стремительно взмываете вверх или когда при повороте вас тянет в сторону. Но электромагнетизм присутствует в нашей жизни всегда, когда вы соприкасаетесь с другими предметами. Электромагнитные силы действуют повсюду.
Эксперимент, доказывающий слабость гравитации
Снимите с холодильника сувенирный магнит и отойдите с ним подальше от тяжелых металлических предметов. Держа магнит на уровне талии, выпустите его из рук. Как и ожидалось, он упадет на пол. А теперь проделайте то же самое, но рядом с холодильником. При падении магнит прилипнет к холодильнику. Несмотря на всю силу притяжения Земли с ее огромной массой, сравнительно небольшой металлический предмет воздействует на магнит гораздо сильнее.
Выполняя этот эксперимент, вы можете удивиться: зачем нужна его первая часть? Ведь и так ясно, что магнит упадет на пол. Но этим-то наука и отличается от обычной жизни. Вы можете предполагать что угодно, но здравый смысл в науке зачастую подводит. Всегда лучше проверить свои предположения и на основе эксперимента сделать обоснованный вывод.
В данном эксперименте мы проверяли действие магнетизма, но можно было точно так же обратиться и к электричеству, например понаблюдать, как кусочек бумаги прилипает к расческе после того, как вы потерли ее о волосы и она приобрела электрический заряд. Электричество и магнетизм – два проявления одной и той же силы, которая намного сильнее гравитации. Если говорить точнее, в 1040 раз. Единственная причина того, что гравитация настолько важна, заключается в том, что атомы и молекулы в основном электрически нейтральны и не подвластны действию электромагнитных сил (при контакте двух предметов в игру вступают лишь электрические заряды компонентов атома), но подчиняются законам гравитации.
«Течет» ли электричество?
В повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с одним из аспектов электромагнетизма – электричеством. Оно играет фундаментальную роль в функционировании организма человека. В частности, мозг и нервная система используют электрические импульсы как средство коммуникации и контроля действий тела. От них зависит и ритм сердца.
Болшинство уроков в школе, на которых нас знакомят с электричеством, состоит из манипуляций с батареями, лампочками и проводами, но, даже усвоив необходимые навыки, мало кто понимает, что же на самом деле представляет собой электричество. И в этом нет ничего удивительного. Электричество, как и многие другие изобретения, вошедшие в наш быт, работает на квантовом уровне, противоречащем здравому смыслу.
Электричество часто описывают, пользуясь аналогией с потоком воды, но это очень неудачное сравнение. Если бы оно текло по проводам, словно вода по трубам, нам приходилось бы чем-то затыкать розетки, когда в них нет надобности, чтобы электричество не вытекало из них. Из-за этой аналогии мы до сих пор пользуемся такими терминами, как ток (от слова «течь»), электронный вентиль и т. п.
Электрический ток возникает вследствие того, что проводники (обычно металлические) имеют свободные электроны, которые являются общими для нескольких атомов и «плавают» в межатомном пространстве. Предположим, мы подаем положительный заряд на правый конец металлического провода. Все свободные отрицательно заряженные электроны должны были бы устремиться к нему. Но тут возникает проблема. Если все электроны скопятся в правом конце, то в левом будет наблюдаться их дефицит. Отсутствие электронов будет означать, что левый конец приобретает положительный заряд и начинает, в свою очередь, притягивать к себе электроны. Только в том случае, если мы снабдим левый конец недостающими электронами, в проводнике возникнет направленный ток. Таким образом, в отличие от воды, электричество «течет» только при наличии замкнутой цепи.
