Сбитые с толку - Эндрю Штульман

Что заставляет объекты двигаться? По каким траекториям они движутся?

Средневековые физики, как и современные, дискутировали по поводу своих теорий, соглашаясь в некоторых пунктах, но расходясь в отношении других^[124]. В частности, они полагали, что предметы приводятся в движение переданной им силой, «импульсом», и что предметы движутся, пока импульс не иссякнет, как уже было отмечено в первой главе. Однако они не могли прийти к консенсусу, может ли импульс принимать разные формы и как он взаимодействует с другими физическими силами.

Одни физики считали, что импульс рассеивается сам. Другие были убеждены, что он остается в предмете, пока его не истощат внешние силы, например трение и сопротивление воздуха. Кроме того, были различные мнения о том, когда на импульс начинает влиять гравитация: с момента, когда объект начал движение, или только после того, как импульс опустился ниже определенного порога. Согласно одним теориям, перемещаемые предметы должны приобретать импульс носителя, согласно другим — нет. Не было единогласия, может ли импульс вызывать криволинейное движение или только прямолинейное.

Все эти разногласия были неразрешимы, потому что никакого импульса не существует в природе. Дискуссии, рассеивается ли он сам по себе или нет, похожи на рассуждения о том, носят ли гномы шляпы. Никаким экспериментом этот вопрос разрешить не получится, потому что он неправильно поставлен. Первым человеком, понявшим его бесплодность, был Исаак Ньютон. В «Началах» он изложил три закона, которые навсегда изменили понимание движения. Вот они:

1. Движущееся тело продолжает двигаться, пока на него не действует внешняя сила.

2. Сила, действующая на массу, вызывает ускорение.

3. Каждое действие рождает равное по силе противодействие.

Эти законы, без сомнения, вам знакомы. Их изучают на уроках физики и часто иллюстрируют стандартными картинками: шарик бесконечно катится по не имеющей трения поверхности (первый закон); кубик движется под уклон, набирая скорость (второй закон); две тележки после столкновения откатываются в противоположных направлениях (третий закон). Но что означают эти принципы? И почему они сделали представление об импульсе устаревшим? Несмотря на заучивание формулировок и соответствующих формул (F = ma, p = mv), многие из нас в повседневной жизни по-прежнему полагаются на импульс, чтобы объяснять и предсказывать движение^[125]. Чтобы понять законы Ньютона, посмотрим, почему они дают картину движения, отличную от той, которая нарисована нашей интуицией.

Подсознательно мы относимся к силе и движению как к неразделимым сущностям: сила подразумевает движение, а движение — силу. Классическая сила толкает или тянет тело. И то и другое приводит его в движение. Но что заставляет его продолжать двигаться? Что поддерживает движение на расстоянии? Интуиция подсказывает, что сила, с которой толкнули или потянули тело, передается ему. На движение явно влияют различные факторы, например гравитация и трение, но они, видимо, не вызывают движение, а лишь противодействуют ему, меняя направление и замедляя. Именно поэтому мы не считаем гравитацию и трение силами. Даже называя их так, мы воспринимаем их скорее как антисилы.

Благодаря теории Ньютона силы перестали быть свойствами объектов и стали взаимодействиями между объектами. Силу можно приложить к телу, но нельзя передать ему. Ньютон показал, что интуитивно связывать силу с движением неправильно. Движение может существовать и в отсутствие силы (например, комета, бесконечно летящая в космическом пространстве), а сила — без движения (например, стол, который поддерживает тарелку, противодействуя силе гравитации). Движение и сила разделимы, потому что силы вызывают не само движение, а изменения направления и скорости движения. Скорость и направление тела фундаментально отличаются от его ускорения и изменения направления. Сила требуется только во втором случае.

Чтобы увидеть разницу между интуитивным и ньютоновским представлениями о силе, вспомните мысленный эксперимент из первой главы: одной пулей стреляли параллельно земле, а вторую роняли с той же высоты. Большинство людей считает, что вылетевшая из ствола пуля окажется на земле позже, чем падающая, потому что пистолет передает ей некую дополнительную силу, способную некоторое время противодействовать гравитации. В реальности различие в горизонтальной скорости между пулями только сбивает с толку и никак не влияет на гравитацию, которая тянет обе пули к земле с тем же ускорением. Пуля из пистолета просто преодолеет при падении большее расстояние.

Ньютон изменил не только понимание силы, но и понимание движения. Интуитивно кажется, что движение — это что-то отличное от состояния покоя. В первом случае требуется объяснение, а во втором — нет. Кроме того, разные виды движений — подъем и падение, движение по окружности и вокруг своей оси — требуют разных объяснений. А Ньютон доказал, что движение и состояние покоя — это две стороны одной медали, разные ипостаси инерции. Состояние покоя — это всего лишь способ описания тела, движение которого незаметно. Книга на полке неподвижна по отношению к человеку, но движется по отношению к земной оси со скоростью 1674 километра в час и по отношению к Солнцу со скоростью 108 тысяч километров в час. Поэтому если движение требовало бы объяснения, то и состояние покоя тоже. Однако Ньютон доказал, что объяснять нужно не движение, а лишь изменения движения.

Это хорошо иллюстрирует другой мысленный эксперимент из первой главы книги, в котором человек сталкивает пушечное ядро с «вороньего гнезда» на мачте плывущего корабля. Большинство людей думает, что ядро приземлится не на палубе, а в кильватере, так как корабль находится в движении, а ядро — в состоянии покоя. Кажется, что ядро будет падать прямо вниз, а корабль за это время уплывет из-под него. Однако ядро движется вперед с той же скоростью, что и корабль, и при падении сохранит эту скорость.

Если пример с ядром не убеждает, вспомните пример из реальной жизни, который кружит по интернету в виде демотиватора. На картинке в кабину восемнадцатиколесного грузовика врезался собственный груз — гигантский каменный блок, который бросило вперед из-за резкого торможения. Подпись под рисунком гласит: «Инерция. У грузовика есть тормоза. У огромного камня нет».

* * *

Спустя примерно 350 лет после того, как Ньютон похоронил теорию импульса на кладбище научных ошибок, она продолжает жить и здравствовать в умах обычных людей. Через эту призму большинство из нас интерпретируют повседневные движения: скатывающиеся со стола шарики, тележки на американских горках, падающие с самолетов бомбы, вылетающие из пистолетов пули, футбольные мячи и лассо, подбрасываемые в воздух монетки. С помощью теории импульса мы предсказываем траектории предметов, рисуем действующие на них силы и даже прибегаем к этой теории, взаимодействуя с движущимися предметами в реальном времени. Независимо от задачи и контекста, импульс берет верх.