Бегство от удивлений (стр. 13 )

Часть вторая УДИВЛЕНИЕ БЫСТРОТЕ

Глава 7. САМЫЙ БОЛЬШОЙ АКВАРИУМ

Сцена мироздания

Продолжая тему, начатую в третьей главе, я разговариваю с одним девятиклассником о движении и системах отсчета. Задаю ему вопросы:

В чем падают камни и пушинки?

В воздухе.

А если убрать. воздух?

В пустоте.

А что такое пустота?

Пустота — это то, что остается, если убрать воздух.

Откуда убрать?

Мой собеседник запинается, морщит лоб, потом говорит:

Ну, из какого-нибудь места. Отовсюду-то не уберешь...

Отлично! — говорю я.— Очень хорошо, что ты сказал «место». Объясни-ка мне теперь, что такое место.

Девятиклассник молчит. Он не знает, что такое место. А вы знаете?

Место — это часть пространства. Все, что происходит, происходит где-то, в каком-то месте, в какой-то части пространства. Ну вот, теперь надо объяснять, что такое пространство.

Пока скажем очень неопределенно: пространство — вроде сцены, на которой разворачиваются все события, процессы, явления нашего мира. Вне сцены нет спектакля. Вне пространства вообще ничего нет.

Теперь — серьезнее.

Философы-материалисты говорят: пространство есть форма движения материи. Соглашаясь с этим положением, физики прилагают его к своей науке. Для физика важно физическое и, в частности, механическое движение. А его изучение, его отсчет возможны только потому, что в нашем мире существует то, что мы называем расстояниями. Расстояния — это основа физического пространства. И чтобы измерять их, отсчитывать с их помощью механическое движение, строятся пространственные системы отсчета.

Когда шел разговор о падении камней, размахах маятника, обращении планет, то всегда явно или неявно учитывалась система пространственного отсчета этих событий. Они обязательно происходили где-то, на каких-то расстояниях от чего-то вполне конкретного: скажем, от пола, от Солнца, от Луны. Отсчеты расстояний вошли во все формулы механики и теории тяготения. Они-то и наполнили широкое философское представление пространства четким числовым содержанием, необходимым физику.

Пространство трехмерно. В системе отсчета оно выражается тремя взаимно перпендикулярными измерениями— длиной, шириной и высотой. Это определило форму всех уравнений механики.

Однако фактом трехмерности не исчерпываются сведения о пространстве, которыми хочет располагать физик. «Устройство» пространства надо знать глубже.

Разгадывая «сценарий» космического действия, в котором актерами выступают атомы и звезды, Ньютон точно разметил места для событий всемирного спектакля. Никакой режиссер не будет объяснять актерам, куда идти и где стоять, если он не знает устройства сцены. Ведь в разных театрах сцены разные — прямые и изогнутые, с жесткими и гнущимися половицами, с вращающимся и неподвижным полом и т. д. Поэтому и Ньютон, этот режиссер мироздания, должен был что-то знать или хотя бы предполагать о «сцене» Вселенной — безграничном мировом трехмерном пространстве. Скажем, везде ли оно одинаково, изменяется ли с течением времени, движется ли как-нибудь?

Видимо, если пространство вращается (подобно вращающейся театральной сцене) или как-то ускоряется, сжимается, расширяется, все тела в нем подвержены силам инерции — летящие свободно копья сворачивают с прямого пути, ускоряются. Подобное пространство можно было бы «привязать» к неинерциалъной системе отсчета.

Но в реальном мировом пространстве Ньютона свободно брошенные тела, не подверженные действию сил, не ускоряются и не сворачивают с прямого пути.

Резонно допустить, что реальное пространство «привязано» к инерциальной системе отсчета. Той, что либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.

В чем зреет яблоко

Я рассказываю своему собеседнику что-то вроде сказки.

В саду, — говорю я, — стоит яблоня. На яблоне висит яблоко. Погода хорошая — ни ветерка. Спрашивается: в чем это яблоко движется?

Ни в чем оно не движется, — отвечает мой сообразительный девятиклассник.— Оно неподвижно.

Ты не прав, — терпеливо говорю я.— Допустим, оно неподвижно в пространстве. Но оно зреет, наливается соком, в нем происходят перемены. Это значит, что оно движется во времени. Текут минуты, часы — и яблоко краснеет, становится слаще и ароматнее. Согласен?

Он согласен, потому что с этим трудно спорить. Конечно же, неподвижное яблоко с течением времени меняется. Все вокруг существует не только в пространстве, но и во времени. И если на висящем яблоке это было заметно не сразу, то как только оно сорвалось с ветки и стало падать, как только началось движение — роль времени предстала ярко и выпукло. Ведь расстояние, деленное на время, есть скорость, а расстояние, дважды деленное на время, — ускорение.

Пространство дает расположение событий в мире, время же — их последовательность, их развитие. Время — это тоже форма движения материи, как и пространство. И физик наполняет понятие времени своим, присущим физике, содержанием.

В отличие от пространства, время отсчитывается одним измерением — длительностью. Оно одномерно. Но опять-таки признание только этого факта для физика недостаточно. Нужно еще знать, везде ли время течет одинаково быстро, остается ли его темп неизменным, зависит ли он от каких-либо физических причин.

В частности, объявить систему отсчета инерциальной мы вправе лишь тогда, когда уверены, что она покоится либо движется равномерно в равномерно текущем времени. А есть у нас такая уверенность?

Заданы серьезные вопросы. Искать ответы будем постепенно. И, обещаю, придем к новым удивлениям, новым поразительным выводам о физике нашего мира.

Рыбья жизнь

В аквариуме плавает рыбка. Где бы она ни находилась, ее положение я могу определить тремя отсчетами (координатами) — расстоянием до дна и двух смежных стенок. Я повесил на аквариум свои часы — и отсчеты пространства дополнились отсчетами времени. Теперь я сумею описать четырьмя числами любое событие из рыбьей жизни. Три числа отметят точку пространства, а четвертое — момент события. Вместе они дадут полную классическую пространственно-временную систему отсчета.

Вот, к примеру, пространственно-временной протокол двух секунд рыбьего поведения.

Отсчет № 1. Ровно в пять часов утра рыбка позавтракала — проглотила циклопа. Это произошло в 18 сантиметрах от дна, в 20 сантиметрах от левой боковой и в 8 сантиметрах от задней стенок аквариума.

Отсчет № 2. В пять часов одну секунду рыбка вильн и 15 сантиметрах от тех же стенок.

Отсчет № 3. В пять часов две секунды рыбка пустила пузырь в 21 сантиметре от дна и т. д.

Этим протоколом описано движение рыбки в пространстве и времени.

Но в каком пространстве и в каком времени? То ли это пространство, в котором кружит Луна или плывет по своей далекой орбите Юпитер?

К аквариуму «привязана» собственная маленькая система отсчета. Она, как правило, неинерциальна. Путь рыбки в своем протоколе отнесен только к аквариуму, к его стенкам и дну. Такое пространство Ньютон назвал бы местным.

То же самое — со временем. Время в протоколе зафиксировано не какое-то всеобщее, а «мое», отсчитываемое моими часами.

Как «в действительности» движется рыбка, из протокола заключить невозможно. Ибо аквариум сам движется: он стоит на Земле, а Земля вращается вокруг своей оси, да еще обегает вокруг Солнца, да еще вместе с Солнцем летит в направлении к созвездию Гончих Псов (это установили астрономы). К тому же наш аквариум может находиться в вагоне идущего поезда, или на плывущем корабле, или в летящем самолете. Сколько тут складывается движений, совмещается сил инерции! Попробуй-ка учти их все вместе!

Словом, запротоколированные нами движения — явления сугубо местные, частные. Ньютон называл их обыденными.

Приложить их ко всему мирозданию практически невозможно.

Разумеется, такое положение дел не устраивало великого физика. Он хотел найти «настоящие» движения, безотносительные к какому-то заведомо не неподвижному предмету.

Такие «подлинные» движения ученый назвал абсолютными. И пространство, относительно которого они происходят, тоже получило имя «абсолютного пространства».

Это и есть ньютоновская «сцена» Вселенной.

Всемирный аквариум

Еще раз. В домашнем аквариуме его местное пространство прыгает, летает, кружит в бесчисленных движениях и поэтому совсем не годится для небесной механики. Как же превратить его в абсолютное пространство?

Испробуем такой способ: увеличим аквариум до бесконечно огромной величины, поставим его на «неподвижные» звезды и вместо рыб впустим в него Землю, Луну, Солнце со всеми остальными планетами, а также астероиды, кометы, метеориты и прочие движущиеся небесные тела.

Вообразим еще, что этот бесконечно большой аквариум бесконечно прочен, неизменен и неподвижен. И крепко-накрепко «привяжем» к нему систему отсчета расстояний (от дна и двух смежных стенок, помните?). Вот и готова основа самой главной инерциальной системы отсчета — ньютоновское абсолютное пространство. Согласно определению Ньютона, оно «по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным».

Абсолютное пространство — костяк ньютоновского мира. Сверхжесткий вселенский остов, который не ведает никаких перемен, никаких потрясений. Пусть в нем хоть звезды взрываются — он этого не чувствует. Абсолютное пространство никогда не шелохнется, не даст ни складочки, ни трещинки. Оно такое идеальное, что в нем, по существу, нет ничего физического — сплошная математика, голая геометрия, причем наиболее простая — геометрия прямых линий, плоскостей и объемов, та самая, что от Евклида и Пифагора перекочевала в современные школьные программы.

В этом «всемирном аквариуме» пути движений будут запротоколированы уже не сугубо местные, а «истинные»— абсолютные. Луна в нем станет двигаться не относительно Земли или Солнца, а относительно абсолютного ньютоновского пространства. В нем, «настоящем», незыблемом, полетит и падающий камень, и тележка с русской горки. И именно в нем будут безоговорочно справедливы формулы небесной механики: все три динамических закона Ньютона, закон тяготения и их бесчисленные следствия. Там, в абсолютном пространстве, механика будет действовать в чистом виде, без всяких досадных, до конца практически не исполнимых поправок на местные движения, на силы инерции.