Ричард Фейнман - 1. Современная наука о природе, законы механики

Эта система ничем не похожа на математические рассужде­ния. В них все может быть определено, и в итоге всегда не извест­но, о чем говорят.

Действительно, ведь все великолепие математики в том и состоит, что в ней мы не знаем, о чем толкуем. Ее законы, ее доказательства, ее логика не зависят от того, чего они ка­саются,— и в этом своя, особая красота. Когда вы имеете другую совокупность объектов, подчиняющихся той же системе аксиом, что и евклидова геометрия, то вы можете выдвинуть новые определения и делать выводы, сообразуясь с правильной логикой, — все следствия окажутся правильными, и совершенно неважно, чего они касаются. А в природе? Когда вы проводите линию или провешиваете ее при помощи луча света и теодоли­та (как это делается на геодезических съемках) — следует ли природа Евклиду? Нет, вы делаете приближение; крест на объективе имеет определенную толщину, а геометрическая ли­ния — никакой; значит, применять ли в съемках евклидову гео­метрию или нет — это вопрос физики, а не математики.

Конечно, с экспериментальной (а не математической) точ­ки зрения вам нужно знать, применимы ли законы Евклида к тому роду геометрии, которую вы используете, изме­ряя окрестности; вы предполагаете, что да, применимы. И, действительно, они прекрасно работают; прекрасно, но не точно, потому что ваши съемочные линии— это не настоя­щие геометрические линии. Приложимы или нет абстрактные евклидовы прямые к линиям, провешиваемым на опыте,— есть дело самого опыта; на этот вопрос чистым рассуждением не ответить.

Точно таким же образом вы не можете назвать F=ma опре­делением, вывести из него все чисто математически и сделать механику математической теорией: механика — это описание природы. Выдвигая подходящие постулаты, всегда можно соз­дать математическую систему вроде евклидовой, но вы не можете создать математики мира; рано или поздно вам пришлось бы отвечать на вопрос: выполняются ли эти аксиомы на объектах природы? И вы немедленно завязли бы среди этих запутанных, «нечистых» реальных предметов,— правда, добиваясь все боль­шей и большей точности приближений.

§ 2. Трение

Итак, чтобы по-настоящему понять законы Ньютона, мы должны обсудить свойства сил; цель этой главы— начать это обсуждение и составить своего рода дополнение к законам Ньютона. Мы уже знакомы со свойствами ускорения и с дру­гими сходными представлениями, теперь же нам предстоит заняться свойствами сил. Из-за сложности их мы в этой главе (в отличие от прежних) не будем гнаться за точными формули­ровками. Чтобы начать с конкретной силы, рассмотрим сопро­тивление, которое воздух оказывает летящему самолету. Каков закон этой силы? (Мы обязаны найти его; ведь закон существует для каждой силы!) Едва ли только он будет прост. Стоит пред­ставить себе торможение воздухом самолета — свист ветра в крыльях, вихри, порывы, дрожание фюзеляжа и множество других сложностей,— чтобы понять, что этот закон вряд ли выйдет простым и удобным. Тем замечательней тот факт, что у силы очень простая закономерность: F»cv 2 (постоянная, умно­женная на квадрат скорости).

Каково же положение этого закона среди других? Подобен ли он закону F=ma? Отнюдь. Во-первых, он эмпирический, и получен он грубыми измерениями в аэродинамической трубе. Но вы возразите: «Что ж, закон F=ma тоже мог бы быть эмпи­рическим». Но разве в этом дело? Различие не в эмпиричности, а в том, что, насколько мы понимаем, этот закон трения есть ре­зультат множества влияний и в основе своей ничуть не прост. Чем больше мы станем его изучать, чем точнее мерить, тем слож­ней (а не проще) представится он нам. Иными словами, все глубже вникая в закон торможения самолета, мы все ясней будем пони­мать его «фальшь». Чем глубже взгляд, чем аккуратней измерения, тем усложненной становится истина; она не предстанет перед на­ми как итог простых фундаментальных процессов (впрочем, мы и с самого начала об этом догадывались). На очень слабых скоро­стях (самолету, например, они даже недоступны) закон меняется: торможение уже зависит от скорости почти линейно. Или, к при­меру, торможение шара (или пузырька воздуха или чего-нибудь еще) за счет трения о вязкую жидкость (наподобие меда),— оно тоже при малых скоростях пропорционально скорости, а на больших, когда образуются вихри (не в меде, конечно, а в воде или воздухе), опять возникает примерная пропорциональность квадрату скорости (F=cv 2 ); при дальнейшем росте скорости и это правило не годится. Можно, конечно, говорить: «Ну, здесь слегка меняется коэффициент». Но ведь это просто уловка.

Во-вторых, есть и другие сложности: можно ли, скажем, эту силу делить на части, — на силу трения крыльев, фюзеляжа, хво­ста и т. д.? Конечно, когда нужно бывает узнать вращательные моменты, действующие на части самолета, то так делать можно, но тогда уж надо иметь специальный закон трения для крыльев и т. д. И выясняется тот удивительный факт, что сила, действую­щая на крыло, зависит от другого крыла, т. е. если убрать само­лет и оставить в воздухе одно крыло, то сила будет совсем не такой, какой она была бы, если бы в воздухе был весь самолет, Причина, конечно, в том, что ветер, бьющий в нос самолета, сте­кает на крылья и меняет силу торможения. И хотя кажется чу­дом, что существует такой простой, грубый эмпирический закон, пригодный для создания самолетов, но он не из тех законов физики, которые называют основными: по мере углубления он ста­новится все сложней и сложней. Какое-нибудь изучение зависи­мости коэффициента c от формы носа самолета сразу разрушает его простоту. Никакой простой зависимости не остается. То ли дело — закон тяготения: он прост, и дальнейшее его углубление только подчеркивает это.

Мы только что говорили о двух типах трения, возникающих в результате быстрого движения в воздухе или медленного в меде. Но есть еще вид трения — сухое, или трение скольжения: о нем говорят тогда, когда одно твердое тело скользит по дру­гому. Чтобы продолжать движение, такому телу нужна сила. Ее называют силой трения. Происхождение ее — вопрос очень запутанный. Обе соприкасающиеся поверхности неравномерны, если разглядывать их на атомном уровне. В точках соприкосно­вения атомы сцепляются; при нажиме на тело сцепка рвется и возникают колебания (во всяком случае, происходит нечто по­хожее). Прежде думали, что механизм трения несложен: повер­хность покрыта неровностями и трение есть результат подъема скользящих частей на эти неровности; но это неправильно, ведь тогда бы не было потерь энергии, а на самом деле энергия на трение тратится. Механизм потерь иной: неровности при сколь­жении сминаются, возникают колебания и движение атомов, и тепло растекается по обоим телам. И здесь крайне неожидан­ным оказывается, что эмпирически это трение можно прибли­женно описать простым законом. Сила, нужная для того, чтобы преодолевать трение и тащить один предмет по поверхности другого, зависит от силы, направленной по нормали (но перпен­дикуляру) к поверхностям соприкосновения. В довольно хо­рошем приближении можно считать, что сила трения пропорцио­нальна нормальной силе с более или менее постоянным коэффи­циентом: