Помоги проекту - поделись книгой:
Айзек Азимов
ПОПУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.
От архимедова рычага до квантовой механики
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
Загадочные формулы, таинственные знаки, сложные механизмы взаимодействия, объясняющие все — от зарождения нашей Вселенной до разрушения межатомных связей. Только мир физики охватывает столь широкий диапазон знаний, и именно это делает его таким привлекательным для изучения.
Известный популяризатор науки, ученый и писатель-фантаст Айзек Азимов в своей книге «Введение в физику» излагает основные концепции современной физики. Читателю предоставляется возможность проследить интереснейшую историю развития этой науки — историю вечного поиска законов и правил, которые управляют нашей планетой. Данный труд, состоящий из трех частей, охватывает огромный период в развитии физики от Древней Греции и до середины XX века. В первой части — «Движение, звук и теплота» — рассматривается теоретическое развитие и установление определенных концепций с ньютоновской точки зрения. Во второй части, «Свет, магнетизм и электричество», показано развитие этих концепций начиная с XIX века, когда физика положила начало научно-технической революции. Физика воистину была «интеллектуальным топливом» индустриализации. Здесь же автор знакомит читателя с теорией относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теорией Макса Планка. В заключительной части — «Электрон, протон и нейтрон», — Азимов освещает основное событие в физике в XX столетии — открытие бесконечно малых частиц и волн, а также рассуждает о взаимодействии технического прогресса и общества в целом.
Книга написана простым, доступным языком и содержит необходимый минимум формул и уравнений. Однако, используя нестандартный подход ко многим проблемам, автор приводит собственные, а не классические доказательства некоторых законов, демонстрируя оригинальный взгляд на физические явления, поэтому не рекомендуется использовать этот труд в качестве учебного пособия. Автор также придерживается «английской» системы измерений, что не всегда является удобным для русского читателя. Но это ни в коей мере не умаляет ценностей данной книги — такого всеобъемлющего обзора современной физики для широкого круга читателей не создавал до Айзека Азимова никто.
Часть первая.
ДВИЖЕНИЕ, ЗВУК И ТЕПЛОТА
Глава 1.
ПОИСК ЗНАНИЯ
От философии к физике
Ученые Древней Греции были первыми из известных нам, кто сделал попытку тщательного исследования Вселенной: они проводили систематический сбор знаний, получаемых посредством человеческого восприятия. Те, кто начал этот рационалистический поиск понимания без участия интуиции, вдохновения, озарений или других нерациональных источников информации, называли себя «философами» (это слово в греческом языке буквально означает «любители мудрости»)[1].
По направлению изучения философия могла быть направлена вовнутрь — в поисках понимания человеческого поведения, этики и морали, побуждений и ответных реакций или наружу — на исследование Вселенной, находящейся вне осязаемой оболочки человеческого разума, короче говоря на исследование «природы».
Философы, относившиеся ко второму направлению, назывались «естественными философами». И в течение многих столетий после периода расцвета Греции изучение явлений природы продолжает называться естественной философией. Более современное слово, которое мы используем вместо него, — «наука» (происходит от латинского слова, означающего «чтобы знать»), стало широко распространенным только в середине XIX столетия. И даже в наши дни самая высокая университетская степень, присвоенная за достижения в области наук, называется «доктор философии».
Слово «естественный»
Термин «физика» являлся просто краткой формой термина «физическая философия», или «естественная философия», и в его оригинальном значении включал в себя всю науку.
Однако поскольку области исследований науки расширялись и углублялись и объем собранной информации все возрастал, то те философы, которые охватывали более пространные области изучения, вынуждены были специализироваться, выбирая какой-то один сегмент в качестве точки приложения научных усилий. Эти сегменты получили свои собственные имена и со временем стали отделять себя от общего универсального домена физики.
Таким образом, изучение абстрактных взаимоотношений формы и чисел стало называться «математикой»; изучение положений и движения небесных тел — «астрономией»; изучение физических особенностей земли, на которой мы живем, — «геологией»; изучение состава и взаимодействия материалов — «химией»; изучение структуры, функций и взаимосвязи живущих на Земле организмов — «биологией» и так далее.
Термин «физика» в те времена стал использоваться для описания особенностей изучения тех частей природы, которые остались после отделения перечисленных выше наук. По этой причине слово «физика» должно было охватить довольно разнотипную и неоднородную область изучения природы, и соответственно его четкое определение довольно сложно.
«Оставшееся» включает в себя такие явления, как движение, теплота, свет, звук, электричество и магнетизм. Все они являются формами «энергии» (термин, о котором я позже расскажу значительно больше). Таким образом, изучение физики может считаться прежде всего рассмотрением взаимосвязей между энергией и материей.
Данное определение может интерпретироваться или узко, или широко. Если интерпретировать его достаточно широко, то границы физики могут быть раздвинуты так, что эта наука будет включать в себя значительную часть из «соседних» с ней наук. Действительно, как показал опыт XX столетия, такое положение возникает достаточно часто.
В конце концов, разделение науки на отдельные «сегменты» — искусственное и сделано человеком в целях собственного удобства. В то время, когда уровень знания был еще довольно низок, такое разделение было полезным и казалось естественным. Можно было изучать астрономию или биологию независимо от химии или физики и, наоборот, изучать химию или физику изолированно от других наук. Со временем в связи с накопленной информацией границы различных частей науки сблизились, встретились и, наконец, пересеклись. Методы, используемые при изучении одной науки, стали применимы и более того — новаторскими в приложении к другим наукам.
В последней половине XIX столетия физические методы сделали возможным определить химический состав и физическую структуру звезд, что служило началом рождения новой науки — «астрофизики». Изучение колебаний, происходящих в толще земли и вызванных землетрясениями, дало начало «геофизике». Изучение химических реакций физическими методами открыло постоянно расширяемое поле «физической химии», а последняя, в свою очередь, проникла в изучение биологии, произведя на свет то, что мы теперь называем «молекулярная биология».
Что касается математики, которая была инструментом, который больше использовали физики (естественно, только вначале и по сравнению с химией и биологией), то по мере того, как поиск основополагающих принципов становился более тонким и основательным, стало практически невозможно уловить различия между «чистой математикой» и «теоретической физикой».
Однако в этой книге я буду рассматривать физику с точки зрения ее традиционной, узкой специализации, избегая (по возможности) тех ее областей, которые вторгаются на территории соседних наук.
Представление греков о движении
Одним из первых явлений, которое стали рассматривать любопытные греки, было движение. На первый взгляд можно предположить, что движение является признаком жизни; в конце концов, люди и, например, кошки свободно двигаются, а камни и неживые тела — нет. Можно придать камню движение, но обычно посредством импульса, данного ему живым существом.
Однако этот первоначальный взгляд — не верен, так как имеется много примеров движения, в которые жизнь не вовлечена. Движение небесных тел или порыв ветра происходят сами по себе. Конечно, можно было бы предположить, что небесные тела передвигаются ангелами и что ветер является дыханием бога штормов, и действительно, такие объяснения были общеприняты в большинстве обществ в течение многих столетий. Греческие философы, однако, принимали только те объяснения и вовлекали в них только ту часть Вселенной, которая могла бы быть объяснена на основе явлений, поддающихся определению человеческими чувствами. Это исключило и ангелов, и штормовых богов. Кроме того, имелись и менее глобальные примеры движения. Дым костра поднимался вверх. Камень, отпущенный в воздушном пространстве, быстро падал вниз, хотя он не получал никакого импульса в этом направлении. Конечно же даже наиболее мистически настроенный индивидуум не был готов предположить, что каждый клуб дыма, каждый кусочек падающего материала содержит маленького бога или демона, заставляющего его двигаться туда или сюда.
Греческие понятия по данному вопросу были обобщены в достаточно сложной форме философом Аристотелем (384−322 до н.э.). Он утверждал, что каждая из различных фундаментальных видов материи («элементов») имеет свое собственное естественное место во Вселенной. Элемент «земля», в который были включены все окружающие нас твердые материалы, естественно, был расположен в центре Вселенной. Вся материальная, «земляная», часть Вселенной собралась там и сформировала мир, в котором мы живем. В том случае, если бы каждая часть элемента «земля» расположилась так близко к центру, насколько это возможно, Земля должна была бы принять форму сферы (это в действительности было одной линией в рассуждениях, использованных Аристотелем, для доказательства того, что земля имеет сферическую форму, а не плоскую).
Элемент «вода» располагался естественным образом относительно поверхности сферы «земли», элемент «воздух» располагался естественным образом относительно поверхности сферы «воды», и элемент «огонь» располагался естественным образом вне поверхности сферы «воздуха».
Понятно, что можно вывести любую схему строения Вселенной, но в то же время понятно, что не имеет смысла тратить время на то, что ни в коей мере не подтверждается реальностью, то есть на то, что не находит подтверждения благодаря нашим органам чувств, В данном случае наблюдения на первый взгляд поддерживают аристотелевское представление о Вселенной. Наши чувства сообщают нам, что Земля действительно находится в центре Вселенной; водное покрытие в виде океанов и морей занимает большую часть Земли; воздух простирается относительно земли и моря и в воздушных просторах даже имеются свидетельства существования сферы огня, которая проявляет себя во время штормов и гроз в виде молнии.
Рассуждение Аристотеля о том, что каждая форма материи имеет свое естественное место во Вселенной, — типичный пример «аксиомы». Аксиому принимают без доказательств, некорректно говорить об истинности или ложности аксиомы только потому, что не доказано иное. (Если имелось бы доказательство иного, то это больше бы не было аксиомой.) Аксиомы лучше рассматривать с точки зрения их полезности или бесполезности в зависимости оттого, насколько выводы из них соотносятся с реальностью. Если две различные аксиомы или серии аксиом приводят к выводам, которые соответствуют действительности, то более полезна та, которая объясняет больше.
С другой стороны, кажется очевидным, что именно аксиомы являются наиболее слабыми точками в любом аргументированном споре, поскольку они должны быть приняты «на веру», в то время как основой философской науки является ее рационализм. Но ведь для того чтобы начать, нужно иметь «отправную точку», то есть аксиому. Мы должны постараться ограничить себя минимальным количеством аксиом, насколько это возможно. Поэтому из двух теорий, которые объясняют одни и те же области Вселенной, более правильной следует считать ту, которая основывается на меньшем количестве аксиом. Эту точку зрения высказал средневековый английский философ Уильям Оккам (1300? — 1349?), и в честь его метод уменьшения ненужного количества аксиом назван «бритвой Оккама».
Аксиома о «естественном месте» казалась грекам весьма полезной. Предположив, что такое естественное место существует, казалось разумным предположить, что всякий раз, когда объект оказывается вне своего естественного места, он старается вернуться в него, как только представится случай. Например, камень, который мы держим в руке, в воздухе дает нам понять о своем «желании» вернуться на поверхность земли — свое естественное место — силой, которой он давит на нашу руку. Из этого можно сделать вывод, что он имеет вес. Если мы перестанем поддерживать камень рукой, то он быстро начнет перемещаться к своему естественному месту, то есть падать вниз. При помощи такого же рассуждения мы можем объяснять, почему языки огня стремятся вверх, почему галька падает сквозь воду на дно и почему воздушные пузыри поднимаются сквозь воду вверх.
Ту же аргументацию можно использовать, чтобы объяснить, почему идет дождь. Когда под действием тепла солнца вода испаряется («превращается в воздух», как сказали бы древние греки), пары быстро поднимаются вверх в поиске своего естественного места. Но как только те же пары снова преобразуются в жидкость, воду, последняя падает на землю в виде капель в поисках своего естественного места.
Из аксиомы о «естественном месте» можно сделать и дальнейшие выводы. Как известно, одни объекты тяжелее других. Более тяжелый объект «толкает» руку вниз с большим «рвением», чем это делает более легкий объект. Конечно же если освободить каждый из них, то более тяжелый объект выразит свое большее «рвение» возвратиться на свое естественное место, падая быстрее, чем более легкий объект. Так что Аристотель поддерживал и это, действительно кажущееся естественным, заключение, потому что легкие объекты типа перьев, листьев и снежинок дрейфовали вниз медленно, в то время как камни или кирпичи падали быстро.
Но может ли эта теорий выстоять против искусственно созданных трудностей? Например, объект может быть вынужден покинуть свое естественное место, как в случае, когда мы бросаем камень в воздух. Первоначально движение камня вызвано мускульным импульсом, но, как только камень отделяется от руки, она больше не прикладывает импульс к нему. Почему же тогда камень сразу не возобновляет свое естественное движение и не падает на землю? Почему он продолжает подниматься в воздух?
Аристотель объяснял это тем, что данный импульс от камня был передан воздуху и что воздух как бы несет камень. Но поскольку импульс передается от точки к точке, в воздухе он слабеет, и начинает возобладать естественное движение камня. Восходящее движение камня замедляется и в конечном счете превращается в нисходящее движение, пока, наконец, камень не возвратится на свое естественное место — на землю. Сила руки или катапульты не может в конечном счете преодолеть естественное движение камня. (Как говорится: «Кто поднялся — упадет» —
Из этого следует, что вынужденное движение (отрыв от естественного места) должно неизбежно уступить естественному движению (обратно к естественному месту) и что естественное движение в конечном счете приведет объект к его естественному месту. Оказавшись там, объект прекратит перемешаться, так как ему некуда больше двигаться. Поэтому состояние «покоя», или недостаток движения, является естественным состоянием любого объекта.
Это также соотносится с наблюдением, что все брошенные объекты возвращаются на землю и останавливаются; вращение или скольжение объектов тоже останавливается и даже живые объекты не могут двигаться вечно. Если мы поднимаемся в гору, то делаем это с усилием, и, поскольку импульс в наших мускулах постепенно слабеет, мы вынуждены периодически отдыхать. Даже самые слабые движения требуют некоторого усилия, и импульс, находящийся в пределах каждого живого существа, в конечном счете бывает растрачен. Живой организм затухает и возвращается к естественному состоянию покоя. («Все люди смертны».)
Но как же быть с небесными телами? В отношении их позиция кажется весьма отличной от той, с которой мы рассматривали объекты на земле. Естественное движение небесных тел кажется круговым, в отличие от движения вверх-вниз земных тел, и они не кажутся приближающимися или удаляющимися от земли.
Аристотель мог только заключить, что небеса и небесные тела сделаны из материи, которая не была ни землей, ни водой, ни воздухом, ни огнем. Этот пятый «элемент» он назвал «эфир» (греческое слово, означающее «сверкание», ведь, как известно, небесные тела часто испускают свет).
Естественное место пятого элемента было вне сферы огня. Почему же тогда, несмотря на то что божественные тела находились в своем естественном месте, они не оставались в покое? Некоторые школяры в конце концов высказали предположение, что небесные тела двигаются под воздействием ангелов, которые катают их по небесам, но Аристотеля не могли удовлетворить такие легкие объяснения. Вместо этого он был вынужден ввести новую аксиому, предполагающую, что законы, управляющие движением небесных тел, отличаются от законов, управляющих движением земных тел. Если естественным состоянием земных тел является покой, то на небесах естественным состоянием является бесконечное круговое движение.
Недостатки в теории
Я так подробно рассматриваю представление греков о движении потому, что это была физическая теория, разработанная одним из самых великих умов в истории человечества. Эта теория, казалось, объясняла так много, что она была признана большими учеными на протяжении более чем двух тысяч лет; однако в конце концов все ее положения были заменены другими теориями, которые различались с ней практически по всем пунктам.
Аристотелевское представление Вселенной казалось таким логическим и верным. Почему же тогда оно было заменено? А если было неверным, то почему так много людей в течение такого долгого времени полагали, что оно верно? И что же в конечном счете случилось такое, что заставило их изменить свое мнение относительно правильности теории строения мира «по Аристотелю»?
Метод «сомнения в любой теории» (уважаемый и установленный еще в давние времена) показывает, что из постулатов Аристотеля могут быть выдвинуты два противоречащих друг другу заключения.
Например, камень, брошенный в воду, падает более медленно, чем тот же самый камень, брошенный в воздух. Можно бы было сделать вывод, что чем тоньше материя, сквозь которую падает камень, тем быстрее он движется по пути к своему естественному месту. Но если на пути камня нет вообще никакой материи («вакуум» — от латинского слова, означающего «пустой»), то и камень будет двигаться с бесконечно большой скоростью.
Некоторые ученые отмечали этот момент, и так как они чувствовали, что бесконечная скорость была невозможна, то утверждали, что этот аргумент доказывает невозможность существования вакуума. (Поговорка, которая возникла тогда и которую мы до сих пор употребляем: «Природа не терпит пустоты» —
С другой стороны, согласно представлениям Аристотеля, когда камень брошен, на него воздействует импульс, проводимый воздухом, что и делает возможным движение камня в заданном направлении. Если бы воздуха не было, а был бы вакуум, не существовало бы ничего, что могло бы переместить камень. Хорошо, что же тогда бы делал камень в вакууме: перемещался бы с бесконечно большой скоростью или вообще не двигался? Любое утверждение кажется справедливым.
Пожалуйста, вот еще одно противоречие. Предположим, что имеются два груза: весом в один фунт и в два фунта. Позвольте им упасть. Двухфунтовый вес, являющийся более тяжелым, больше стремится достичь своего естественного места и поэтому падает быстрее, чем однофунтовый вес. Теперь положите эти два груза вместе в крепко завязанный мешок и отпустите их. Можно утверждать, что двухфунтовый груз будет сдержан в этих гонках вниз своим менее торопливым однофунтовым соседом. Таким образом, средняя скорость падения будет промежуточная — меньше, чем у двухфунтового груза, падающего в одиночку, и больше, чем у однофунтового груза, если бы он падал один.
С другой стороны, можно утверждать, что двухфунтовый груз и однофунтовый груз вместе сформировали единую систему, весящую три фунта, которая должна падать более быстро, чем один двухфунтовый груз. Хорошо, тогда все-таки система падает быстрее или медленнее, чем двухфунтовый груз? Похоже, что и здесь две различные, но одинаково справедливые точки зрения на один и тот же вопрос.
Такое более внимательное рассмотрение указывает на слабости в теории, но в реальности оно редко приводит к ее отрицанию. Сторонники теории обычно выдвигают контрдоводы. Например, можно сказать, что в вакууме естественное движение становится бесконечным по скорости, в то время как принудительное движение становится невозможным. Можно было бы доказывать, что скорость падения двух связанных весов зависит от того, насколько сильно и прочно они скреплены, и так далее.
Второй метод испытания теории (который оказывается гораздо более действенным) состоит в том, чтобы, получив необходимое заключение из теории, затем тщательно проверить его на практике.
Например, двухфунтовый объект осуществляет давление на руку в два раза сильнее, чем однофунтовый. Достаточно ли этого, чтобы сказать, что двухфунтовый объект упадет быстрее, чем однофунтовый? Если двухфунтовый объект «показывает» в два раза большее «рвение» возвратиться к своему естественному месту, говорит ли это о том, что он должен падать в два раза быстрее? Почему бы не проверить этот факт? Почему бы не получить точные данные и не сравнить их, чтобы выяснить: действительно ли двухфунтовый объект падает в два раза быстрее однофунтового? Если данные не совпадут, то, конечно, греческую теорию движения следует пересмотреть. Если, с другой стороны, двухфунтовый вес действительно падает в два раза быстрее, то это послужит лишним подтверждением греческой теории движения.
И все же такое преднамеренное испытание (или, как мы его теперь называем, — «эксперимент») не было проведено не только Аристотелем, но и в течение двух тысяч лет после него. Причина этого двойственна. Во-первых, теоретический аспект.
Древние греки достигли самых больших успехов в геометрии, которая имеет дело с абстрактными концепциями типа точек нулевого размера и прямых линий, не имеющих ширины. Они достигли результатов большой простоты и общности, которых они не могли бы получить, измеряя реально существующие объекты. Это привело, в частности, к возникновению мнения, что реальный мир груб, неправильно устроен и что, основываясь на нем, нельзя разрабатывать абстрактные теории Вселенной. Безусловно, были древние греки, которые экспериментировали и получали важные заключения именно в результате этих экспериментов; например, Архимед (ок. 287 — 212 до н.э.) и Герон (начало I века н.э.). Однако и в древние, и в Средние века была более широко принята форма вычитания из нескольких предположений по сравнению с испытанием экспериментированием.
Вторая причина была чисто практическая. Эксперимент не всегда столь же легко поставить, как это можно было бы предположить. Нетрудно проверить скорость падающего тела в наш век секундомеров и электронных методов измерения коротких интервалов времени. Но всего лишь три столетия назад не существовало никаких часов, приспособленных для измерения коротких интервалов времени, и немногие хорошие измерительные приборы любого типа ценились на вес золота.
Положив в основу «чистую» теорию, древние философы действительно сделали то, на что они больше всего были способны, что же касается их кажущегося презрения к экспериментированию — тут типичный случай, когда из вынужденной необходимости делают достоинство[2].
Ситуация медленно начала изменяться только в конце Средневековья. Все большее число ученых начали оценивать значение экспериментирования как метода испытания теорий и повсеместно начали пробовать разрабатывать методики проведения экспериментов.
Экспериментаторы не имели значительного влияния на науку вплоть до появления на сцене итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642). Он не изобретал экспериментирования, но сделал его показательным, захватывающим и популярным. Его эксперименты с движением были настолько изобретательны и убедительны в доказательстве, что они не только начали разрушение аристотелевской физики, но и продемонстрировали раз и навсегда потребность науки в экспериментаторстве. Именно от Галилео (он больше известен по имени[3]) и начинается отсчет даты рождения «экспериментальной науки», или просто — «современной науки».
Глава 2.
ПАДЕНИЕ ТЕЛ
Наклонные плоскости
Главной трудностью, с которой столкнулся Галилео, была проблема хронометрирования. Он не имел часов, достойных своего названия, так что был вынужден импровизировать. Например, он использовал контейнер с маленьким отверстием в основании, из которого вода капала в кастрюлю с достаточной равномерностью. Узнав вес воды, которая перетекла между двумя событиями, можно узнать затраченное время.
Конечно, данный способ не подходит для измерения времени нахождения тел в «свободном падении», то есть беспрепятственном падении вниз. Свободное падение с любой разумной высоты закончится слишком быстро, и количество воды, собранной за время падения, слишком мало, чтобы сделать даже приблизительно точные замеры времени.
Поэтому Галилео решил использовать наклонную плоскость. Гладкий шар будет катиться вниз по гладкому углублению на такой плоскости с явно более низкой скоростью, чем двигался бы в свободном полете. Кроме того, если уменьшить наклон этой плоскости к горизонтали, то шар будет катиться все менее и менее быстро; при точно горизонтальной плоскости шар не будет катиться вообще (по крайней мере, из состояния покоя). Этим методом можно замедлить скорость падения до уровня, при котором даже грубые устройства измерения времени начинают выдавать достаточно точные результаты.
Можно спросить: а может ли движение вниз по наклонной плоскости дать результаты, которые справедливо применять и для случая свободного падения? Кажется вполне разумным предположить, что может. Если что-то истинно для любого из углов, под которым находится наклонная плоскость, оно должно быть истинно и для свободного падения, поскольку свободное падение можно рассматривать как качение вниз по наклонной плоскости, максимально отклоненной по отношению к горизонтали, то есть под углом 90 градусов.
Например, можно легко видеть, что достаточно тяжелые шары различных весов катятся вниз по одной и той же наклонной плоскости с одной и той же скоростью. Это правило является истинным для любого угла к горизонтали, под которым отклонена наклонная плоскость. Если плоскость отклонить более резко, шары покатятся быстрее, но все они одинаково увеличат скорость своего движения и в конечном итоге покроют одно и то же расстояние за одно и то же время. Справедливо будет заключить, что свободно падающие тела пролетят равные расстояния за равное время независимо от их веса. Другими словами, тяжелое тело не будет падать более быстро, чем легкое тело, что не соответствует точке зрения Аристотеля.
(Существует известная история о том, что Галилео доказал это, бросив два объекта различного веса с наклонной Пизанской башни, и они ударились о землю одновременно. К сожалению, это — только легенда. Историки совершенно уверены, что Галилео никогда не проводил такого эксперимента, но вот голландский ученый Симон Стевин (1548–1620) производил подобные измерения за несколько лет до экспериментов Галилео. В холодном мире науки, однако, осторожные и исчерпывающие эксперименты вроде тех, что проводил Галилео с наклонными плоскостями, иногда значат больше, чем некоторые сенсационные демонстрации.)
Все же можем ли мы действительно так легко расстаться с аристотелевскими представлениями о движении? Нет никаких сомнений в справедливости утверждения того, что скорости движения шаров по наклонной плоскости равны, но, с другой стороны, не менее справедлив и тот факт, что мыльный пузырь падает гораздо медленнее, чем шарик от пинг-понга того же самого размера, и что шарик от пинг-понга падает гораздо более медленно, чем твердый деревянный шар того же самого размера.
Однако этому имеется объяснение. Объекты не падают сквозь ничто, они падают сквозь воздух, и, чтобы падать, они должны, если можно так выразиться, «раздвинуть» воздух. Мы можем принять точку зрения, что процесс «раздвигания» воздуха занимает время. Тяжелое тело осуществляет сильный нажим и легко «раздвигает» воздух, «проталкивая» его мимо себя, и поэтому не теряет фактически никакого времени. Не имеет значения, сколько весит тело: один фунт или сотню фунтов. Однофунтовый вес испытывает такое малое сопротивление воздуха в процессе его «раздвигания», что вес в сотню фунтов едва ли может улучшить этот результат. Поэтому оба веса падают на равные расстояния за равное время[4]. Действительно, легкое тело типа шарика для пинг-понга нажимает на воздух настолько мягко, что из-за этого испытывает значительное сопротивление в «раздвигании» воздуха на своем пути и поэтому падает медленно. По той же причине мыльный пузырь падает вообще еле заметно.
Можно ли использовать это объяснение «воздушного сопротивления» как соответствующее истине? Или это только выдумка, призванная объяснить неудачу обобщения Галилео для реальных условий жизни? К счастью, данный вопрос может быть проверен. Сначала предположите, что у вас есть два объекта равного веса, причем первый — сферический и компактный, а другой — широкий и плоский. Широкий плоский объект вступает в контакт с воздухом по более широкому фронту и, чтобы упасть, должен «раздвинуть» большее количество воздуха на своем пути. Поэтому он будет испытывать большее сопротивление воздуха, чем компактный сферический объект, и будет падать медленнее, несмотря на то что оба объекта имеют равный вес. Проверка показывает, что все верно. Действительно, если лист бумаги смят в шарик, то он падает быстрее, потому что он преодолевает меньшее сопротивление воздуха. Я упомянул этот эксперимент как один из тех, которые древние греки могли бы легко выполнить и благодаря которому они могли бы обнаружить, что что-то неладно с аристотелевским представлением о движении.
Еще более безошибочным тестом было бы избавиться от воздуха и позволить телам падать в вакууме. В среде, где отсутствует сопротивление воздуха, все тела, независимо от того, легкие они или тяжелые, должны падать на равные расстояния за равные промежутки времени. Галилео был убежден, что это так, но в его время проверить это было невозможно, так как не существовало способов создания вакуума. В позднейшие времена, когда вакуум уже научились создавать, эксперимент по совместному падению перышка и свинцовой глыбы, с целью подтверждения факта их одновременного приземления, стал достаточно заурядным. Таким образом, можно сказать, что сопротивление воздуха — вполне реальное явление, а не только средство спасения престижа.
Конечно, это поднимает вопрос, оправданно ли, ради изложения простого правила, описывать Вселенную в нереальных условиях? Правило Галилео о том, что все объекты любого веса падают на равные расстояния в равное время, может быть выражено в очень простой математической форме. Однако правило это истинно только в физическом вакууме, который фактически не существует. (Даже лучший вакуум, который мы можем создать, даже вакуум межзвездного пространства не является абсолютным.) С другой стороны, мнение Аристотеля о том, что более тяжелые объекты падают более быстро, чем легкие, — истинно, по крайней мере до некоторой степени, в реальном мире. Однако его нельзя привести к простому математическому выражению, поскольку скорость падения тел зависит не только от их веса, но также и от их формы.
Можно считать, что следует придерживаться реальности любой ценой. Однако хотя это может быть и правильно с моральной точки зрения, такой подход далеко не самый полезный и удобный. Сами греки в своей геометрии предпочли идеальный подход реальному и продемонстрировали, что гораздо больших результатов можно достигнуть рассмотрением абстрактных линий и форм, чем изучением реальных линий и форм мира; большее понимание, полученное при помощи абстракции, можно удачно применять при подходе к той самой действительности, которая игнорировалась в процессе получения знания.
Почти четыре столетия опытов, начиная с эпохи Галилео, показали, что часто более полезно отбыть из реального мира и построить «модель» изучаемой системы; в такой модели отбрасываются некоторые из усложнений, поэтому из оставшегося Может быть создана простая и обобщенная математическая структура. Как только это сделано, мы можем начать восстанавливать один за другим факторы усложнения и соответственно изменять взаимоотношения. Попытка же учесть все взаимосвязи сложностей действительности без предварительной разработки упрощенной модели является настолько трудным делом, что фактически никогда не была предпринята, и мы смеем предположить, что если бы такая попытка и была предпринята, то вряд ли бы увенчалась успехом.
Таким образом, бесполезно судить, являются ли взгляды Галилео «истинными», а Аристотеля «ложными» или наоборот. В отношении скоростей падения тел имеются аргументы, которые поддерживают как одну точку зрения, так и другую. Что мы можем сказать наверняка, так это то, что взгляды Галилео на движение, как оказалось, объяснили намного больше и в более простой форме, чем это сделали взгляды Аристотеля. Поэтому Галилеево представление о движении было гораздо более пригодным. Последнее было признано вскоре после того, как были описаны эксперименты Галилео и аристотелевская физика рухнула.
Ускорение
Если мы будем измерять расстояние, пройденное телом, катящимся вниз по наклонной плоскости, мы обнаружим, что тело последовательно покрывает все большие и большие расстояния за равные временные интервалы.
То есть мы видим, что в первую секунду тело прошло расстояние в 2 фута; в следующую секунду оно прошло уже 6 футов при полном расстоянии в 8 футов; в третью секунду — 10 футов при расстоянии в 18 футов; в четвертую секунду — 14 футов при полном расстоянии в 32 фута. Ясно, что с течением времени шар катится все более и более быстро.
Это само по себе не идет вразрез с аристотелевской физикой, поскольку теория Аристотеля не говорит ничего относительно того, как изменяется со временем скорость падающего тела. Фактически это увеличение в скорости соотносится с аристотелевским представлением, поскольку можно сказать, что, так как тело приближается к своему естественному месту, его «рвение» попасть туда усиливается, что приводит к соответствующему увеличению скорости.
Однако важность метода Галилео заключается в том, что он подошел к вопросу изменения скорости не качественным, а количественным способом. Недостаточно просто сказать «скорость увеличивается со временем». Если это представляется возможным, надо сказать, насколько она увеличивается, и постараться разработать точную взаимосвязь скорости и времени.
Например, если шар проходит 2 фута за одну секунду, 8 футов за две секунды, 18 футов за три секунды и 32 фута за четыре секунды, то, казалось бы, имеется взаимосвязь между пройденным расстоянием и квадратом затраченного на его прохождение времени. Как мы видим, 2 равно 2 х 12, 8 равно 2 х 22, 18 равно 2 х 32, и 32 равно 2 х 42. Мы можем определить эти отношения, сказав, что полное расстояние, покрытое шаром, катящимся вниз по наклонной плоскости (или объектом, находящимся в свободном падении) со старта из состояния покоя, — прямо пропорционально[5] квадрату затраченного времени.
Физика приняла этот акцент на точное измерение, который предложил Галилео, аналогично поступили и другие области науки, везде, где это было возможно. (Тот факт, что химики и биологи не приняли математического отношения в полной мере, как это сделали физики, не говорит о том, что химики и биологи являются менее интеллектуальными или менее точными, чем физики. На самом деле это произошло потому, что системы, изучаемые физиками, более просты, чем те, которые изучают химики и биологи, и более легко могут быть приведены к идеализированному виду, в котором их можно было бы выразить в простой математической форме.)
Теперь рассмотрим шар, который проходит 2 фута в секунду. Его средняя «скорость» (расстояние, которое он покрывает в единицу времени) на протяжении этого односекундного интервала равна двум футам, поделенным на одну секунду. Легко разделить 2 на 1, но важно запомнить, что мы также должны разделить и единицы измерения: «футы» на «секунды». Мы можем выразить это деление единиц измерения обычным способом — в виде дроби. Другими словами, 2 фута, разделенные на 1 секунду, могут быть выражены как (2 фута)/( 1 секунду), или 2 фута в секунду. Эта запись может быть сокращена как 2 фт/с, и обычно читается как «два фута за секунду»[6]. Важно, чтобы использование «за» не обмануло нас, создав впечатление, что мы в действительности имеем дело с умножением. Мы имеем дело с дробью, то есть делением, и, несмотря на то что числитель и знаменатель этой дроби содержат единицы измерения, а не числа, она не перестает быть дробью.
Но вернемся к катящемуся шару… За одну секунду он проходит 2 фута при средней скорости 2 фт/с; за две секунды — 8 футов при средней скорости по полному расстоянию 4 фт/с; за три секунды — 18 футов при средней скорости по полному расстоянию 6 фт/с. И как вы можете лично убедиться, средняя скорость в течение первых четырех секунд — 8 фт/с. Средняя скорость, как и сказано, находится в прямой пропорции к затраченному времени.
Здесь, однако, мы имеем дело со средними скоростями. А какова же скорость катящегося шара в каждый конкретный момент? Рассмотрим первую секунду временного интервала. В течение этой секунды шар катится со средней скоростью 2 фт/с. Он начинает двигаться с малой скоростью. На самом деле он начинает двигаться из состояния покоя — его скорость в начале движения (другими словами, после того как прошло 0 секунд) была 0 фт/с. Чтобы получить среднее значение в 2 фт/с, шар должен достичь соответственно более высокой скорости во второй половине временного интервала (то есть после начала движения). Если мы предположим, что скорость повышается плавно по времени, то из этого следует, что если скорость в начале временного интервала была на 2 фт/с меньше, чем среднее значение, то в конце временного интервала (после того как прошла еще секунда) она должна быть больше на 2 фт/с, чем среднее значение, то есть 4 фт/с.
Если следовать той же логике рассуждения, которую мы использовали для средних скоростей в течение первых двух секунд, для первых трех секунд и далее мы получим следующие значения скорости: в 0 секунд — 0 фт/с; через одну секунду (в этот момент) — 4 фт/с; через две секунды — 8 фт/с; через три секунды — 12 фт/с; через четыре секунды — 16 фт/с и так далее.
Обратите внимание на то, что после каждой секунды скорость увеличивалась точно на 4 фт/с. Такое изменение скорости со временем называется «ускорением» (от латинских слов, означающих «добавить скорость»). Чтобы определить значение ускорения, мы должны разделить увеличение скорости в течение специфического интервала времени на значение этого интервала времени. Например, если в первую секунду скорость была 4 фт/с, в то время как в четвертую секунду она была равна 16 фт/с, то за время интервала 2 — 3 секунды она возросла на 12 фт/с. Ускорение в этом случае равно: 12 фт/с разделить на три секунды. (Обратите внимание, что в этом случае мы делим не 12 фт/с на 3, а 12 фт/с на 3 секунды. Во всех выражениях, где есть единицы измерения, они должны быть включены в любое математическое преобразование.)
Когда мы делим 12 фт/с на 3 секунды, получаем ответ, в котором единицы измерения так же, как и числовые значения, подвергаются делению, — другими словами, 4 фт/с разделить на с. Это может быть записано в виде 4 фт/с/с (читается «четыре фута в секунду за секунду»). Как мы знаем, и алгебраическом преобразовании
Как вы можете видеть в данном случае, если посчитаете ускорение для любого временного интервала, ответ будет всегда тот же самый: 4 фт/с2. Для разных наклонных плоскостей ускорение будет различно в зависимости от степени наклона, но оно останется постоянным (константой) для любой данной наклонной плоскости в любой интервал времени.
Таким образом, мы можем выразить открытие Галилео относительно падающих тел более простым и более наглядным способом. Сказать, что все тела преодолевают равные расстояния за равные промежутки времени, будет правильно; однако это не говорит ничего о том, падают ли тела с равномерными скоростями, равноускоренно или с неравномерными скоростями. Еще раз, если мы говорим, что все тела падают с равными скоростями, мы ничего не говорим относительно того, как эти скорости могут изменяться по времени.
Теперь мы можем сказать, что все тела независимо от веса (мы пренебрегаем сопротивлением воздуха) катятся вниз по наклонным плоскостям или свободно падают с равным и постоянным ускорением. Если сказанное верно, из этого следует неизбежно, что два падающих тела проходят одно и то же расстояние за одинаковое время и что в любой данный момент они падают с одной и той же скоростью (предполагая, что они начали падать в одно и то же время). Это также говорит нам о том, что скорость тел увеличивается со временем и что она увеличивается на постоянную величину.
Общепринято выражать такие взаимоотношения при помощи математических символов. При таком способе мы не привносим в них ничего существенно нового. Используя математические символы, мы выражаем именно то, что мы хотели бы сказать словами, но более кратко и более общо. Математика — язык стенографии, в котором каждый символ имеет точное и согласованное значение. Как только язык изучен, мы понимаем, что это, в конце концов, всего лишь одна из форм английского языка.
Например, мы только что рассмотрели случай ускорения 4 фт/с2 (из состояния покоя). Это означает, что в конце первой секунды скорость объекта равна 4 фт/с, после двух секунд — 8 фт/с, после трех секунд — 12 фт/с и так далее. Короче говоря, скорость равна ускорению, умноженному на время. Если мы обозначим скорость символом v, а время — символом t, мы можем сказать, что в этом случае v равна
Но фактическое ускорение зависит от угла, под которым отклонена наклонная плоскость. Если наклонная плоскость сделана более крутой, это приведет к увеличению ускорения; если сделать ее менее крутой, то ускорение уменьшится. Для любой данной плоскости ускорение постоянно, но специфическое значение константы может очень измениться от плоскости к плоскости. Позвольте нам поэтому не привязываться к конкретному числовому значению ускорения, давайте просто обозначим это ускорение символом
Поделиться книгой: