Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, как помните: движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить. Очень образно этот парадокс описал А. С. Пушкин:
«Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей».
Тот же Галилей определил и силу, которая объединяет тела, находящиеся в абсолютном и относительном покое, — это сила инерции. Она никак не проявляет себя, пока тело действительно покоится или находится в равномерном прямолинейном движении. Но стоит лишь чуть притормозить его или заставить двигаться криволинейно, как тотчас начинает проявлять себя ускорение. Мы по инерции; т. е. за счет ее силы, как бы стараемся восстановить утраченный покой.
С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, введенными его предшественником, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело.
Однако чтобы сделать эту связь полностью определенной, чтобы от слов перейти к формулам, Исааку Ньютону пришлось ввести новое понятие — массу. Тогда и родился знаменитый закон:
F = ma
Его называют вторым законом Ньютона. Первым же считается закон инерции, который по справедливости надо бы считать законом Галилея, Ньютон лишь уточнил его формулировку. И наконец, третий закон утверждает равенство действия и противодействия.
Итак, три этих закона навели порядок в нашем представлении об окружающем мире. Однако Ньютон на том не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Такой силой оказалось гравитационное воздействие, производимое введенной им массой тела: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Причем закон одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте — камню на Земле или планете во Вселенной.
Так родилась классическая механика Ньютона-Галилея, с помощью которой удалось объяснить до мельчайших деталей движение планет, явление океанских приливов, вызываемое тяготением Луны, движение камня, брошенного под углом к земному горизонту, и вращение искусственного спутника.
Однако, чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия без пространства.
Измерять время, конечно, хотелось бы идеально точными часами, ход которых не зависел бы от происходящих вокруг событий. Такие ритмично идущие часы называют инерциальными, так. как их показания не зависят от того, действительно ли они находятся в покое или все участвуют в движении — прямолинейном и равномерном. Помните, мы говорили о путешественнике, который по опыту, проведенному в закрытой каюте, не может определить, движется он или находится в покое. Так и по инерциальным часам, находящимся в этой каюте, нельзя, выявить какие-либо отклонения по отношению к часам, идущим на берегу. Все инерциальные часы показывают некое абсолютное время, ход которого всегда одинаков для всей Вселенной.
Это понятие абсолютного времени, введенное в механику Галилея-Ньютона в качестве аксиомы, стало краеугольным камнем фундамента, на котором покоится здание классической физики.
«Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Такое определение ему Ньютон дает в самом начале своих знаменитых «Начал», отделяя его от того времени, которое показывают реальные часы с и> отнюдь не идеальной точностью. Об этом времени Ньютон говорит легким налетом иронии, наделяя его эпитетом «обыденное».
Абсолют времени и пространства
Вообще И. Ньютон был не очень высокого мнения о творении Господа Бога. (Хотя не забывайте, что великий физик был глубоко верующим человеком, за ним значатся и труды в области теологии.) Но это, впрочем, не мешало ему оставаться критичным, строго придерживаться фактов, когда дело касалось не потустороннего, а реального, физического мира.
«Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, — писал он, — которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени измениться не может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет».
Но зачем тогда Ньютону понадобилось понятие абсолютного времени, которое повлекло за собой и понятие абсолютного пространства, то есть не имеющего границ, всюду и везде одинакового по своим свойствам, вмещающего в себя все природные тела и дающего место всем природным явлениям?.. Для удобства решения задач той же практики.
Как писал в одной из своих статей Альберт Эйнштейн, «цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: „Существует ли простое правило для полного вычисления движений небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определенный момент времени?“» И Ньютон дал простой ответ на этот вопрос. Но для этого ему пришлось абстрагироваться от всего случайного и мелочного, то есть от реальности перейти к идеалу, иначе он попросту бы запутался в мелочности реальных поправок.
И его теория верой и правдой служила практике многие десятки лет, пока не появилась теория относительности.
«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки… Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов… В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера… Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке».
Отдав этими словами должное своему предшественнику, «этому блестящему гению», А. Эйнштейн тем не менее принялся перекраивать Вселенную по своему разумению. Говорят, он удивил своих собеседников, признавшись однажды, что никогда не понимал понятия «абсолютное время». Конечно, это была шутка в стиле Эйнштейна — он знал и об абсолютном времени, и об абсолютном пространстве классической физики достаточно много. Столько, чтобы понять несовершенство механики Ньютона — Галилея.
Почему время везде и всюду течет одинаково? Чем этот темп задается и что (или кто) его контролирует? Эти «проклятые» вопросы не давали ему покоя. И он в конце концов разрешил их, создав теорию относительности.
За этой теорией, законченной автором в 1916 году, с самого начала утвердилась слава непостижимой. Сначала говорили, что ее во всем мире понимают всего три человека, включая самого автора. Потом число посвященных увеличилось до двенадцати, но сам автор из этой дюжины, как ни странно, выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».
Действительно, математическая сторона теории весьма непроста. Но можно ведь и о самых сложных вещах рассуждать просто, объясняясь, как говорится, на пальцах. Сам Эйнштейн, кстати, владел таким способом изложения своих мыслей достаточно хорошо.
«Представим себе двух физиков, — говорил он. — У обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого — в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения существующих в природе законов — один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, — .найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета». Таким образом Эйнштейн своими словами пересказал притчу о путешественнике в запертой каюте, соглашаясь тем самым с правильностью в определенных случаях теории Галилея — Ньютона. И действительно, эта теория около двухсот лет служила верой и правдой человечеству, и никто на нее не жаловался. Так что же заставило Альберта Эйнштейна пересмотреть устоявшиеся позиции? Все та же практическая необходимость.
