Люси Хокинг - Джордж и Большой взрыв

Формула Галилея проста: скорость свободно падающего тела возрастает пропорционально времени. Это означает, что через две секунды после начала падения предмет падает ровно вдвое быстрее, чем через одну секунду. Но это ещё не всё. Если предмет не просто падает с высоты, а брошен под определённым углом, то он не только падает вниз, но ещё и движется горизонтально: согласно формуле Галилея, он движется по параболе — по кривой, уже известной математикам из геометрии.

Решающий шаг был сделан, когда английский учёный Исаак Ньютон выяснил, как изменяется движение тел (ускоряется оно или замедляется) под воздействием приложенных к ним сил. И он описал это очень простым уравнением.

Сила, которая действует в случае с падающими объектами Галилея, — это, конечно, гравитация, или сила всемирного тяготения. Эту силу мы ощущаем постоянно. Ньютон предположил, что Земля притягивает всё вниз, к своему центру, с силой, пропорциональной количеству вещества в физическом объекте — то есть его массе. Связав в одном уравнении силу и ускорение, Ньютон объяснил формулу Галилея для падающих тел.

Но это было всего лишь начало. Ньютон предположил, что не только Земля, но и все тела во Вселенной — в том числе Солнце, Луна, планеты, звёзды и мы с вами — притягивают все остальные тела, и сила этого притяжения ослабевает с ростом расстояния между ними, а если говорить точно — она обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Из этого закона обратных квадратов следует, что если расстояние от центра Земли (или Солнца, или Луны) увеличится вдвое, то сила уменьшится вчетверо, если расстояние увеличится в три раза, то сила уменьшится в девять раз, и так далее.

С помощью этой формулы и своего уравнения, связывающего силу и ускорение, Ньютон смог приложить сложные математические приёмы (некоторые из них он придумал сам) к движению планет и комет вокруг Солнца под действием солнечного притяжения. Рассчитал он и движение Луны вокруг Земли. И все эти расчёты оказались верны! Более того, он правильно описал даже формы орбит! Например, астрономы выяснили, что орбиты планет имеют форму эллипса, а великий Ньютон своими расчётами доказал, что так оно и должно быть! Неудивительно, что все считали Ньютона героем и гением, а английский король даже назначил его управляющим Монетного двора.

Однако смысл трудов Ньютона, посвящённых законам классической механики и тяготения, гораздо глубже. Ньютон предположил, что сформулированный им закон всемирного тяготения и взаимосвязь между силой и ускорением, которую он описал уравнением, — это законы природы. То есть это законы, которые должны одинаково действовать во всех частях Вселенной и во все времена и при этом всегда оставаться неизменными — примерно как Бог, в которого верил Ньютон. До Ньютона многие думали, что движение тел на Земле, будь то пушечные ядра, корабли или птицы, не имеет ничего общего с движением небесных тел, таких как Луна или планеты. Благодаря Ньютону люди узнали, что все тела повинуются одним и тем же законам. Другие учёные описывали движение, Ньютон же объяснил его в терминах математических законов.

На практике это был огромный шаг вперёд, поскольку теперь кто угодно мог расположиться в уютном кресле с пером, чернильницей и бумагой и рассчитать движение любого тела, не видя самого этого тела. Например, можно рассчитать, куда попадёт пушечное ядро, выпущенное с определённой скоростью под определённым углом к горизонту. А можно вычислить, с какой скоростью его нужно выпустить, чтобы оно никогда не вернулось на Землю. С помощью простых уравнений Ньютона инженеры могут в точности рассчитать, куда должны быть нацелены ракеты для запуска космического корабля на Луну или Марс, причём сделать это задолго до того, как появятся деньги на строительство этих ракет.

Вот почему наука физика, изучающая основные законы Вселенной, обладает предсказательной силой. Формулы и уравнения позволяют физикам предсказывать то, чего ещё никто не знает, — например, существование неизвестных планет. Так был открыт Нептун: астрономы на основании законов Ньютона выяснили, где на небе должна располагаться неизвестная планета, влияющая на движение Урана; а теперь мы с помощью тех же законов предсказываем существование планет, обращающихся вокруг других звёзд.

Довольно скоро физики попробовали применить те же принципы к другим силам, таким как электричество и магнетизм, — и, конечно же, оказалось, что и эти силы подчиняются простым математическим законам. Потом, когда началось изучение атомов и их ядер, выяснилось, что их поведение тоже можно подробно объяснить математическими формулами. Так что теперь в учебниках физики очень много формул.

Некоторые физики задаются вопросом: будет ли так всегда — или же все законы и уравнения тем или иным образом сольются в единый суперзакон? Немало талантливых учёных ищут связь между разными законами и уравнениями — и иногда находят.

Вот знаменитый пример: в XIX веке шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что можно объединить законы электричества и законы магнетизма; и когда он это сделал и сформулировал уравнения, оказалось, что объединённая «электромагнитная» сила может порождать электромагнитные волны. Выведя из своих уравнений скорость этих волн, Максвелл выяснил, что она равна скорости света. Ничего себе! Выходит, сказал Максвелл, свет — это электромагнитная волна!

Поиски суперзакона, который объединил бы все взаимодействия, продолжаются. Чтобы свести всё воедино, нужен настоящий гений. Возможно, сейчас он уже ходит в школу.

Когда я сам ходил в школу, мне нравилась одна красивая девочка. Её звали Линдси. Однажды я делал домашнюю работу по физике — решал задачу, где нужно было рассчитать (то есть предсказать), под каким углом надо бросить мяч в сторону холма, имеющего определенную крутизну, чтобы этот мяч улетел на максимальное расстояние. И вот я решал эту задачу, а Линдси — она училась в гуманитарном классе — сидела напротив меня в школьной библиотеке, отчего мне было очень радостно, хотя и немножко нервно. Она спросила, чем я занимаюсь, и когда я описал задачу, она с удивлением уточнила: «И ты собираешься это считать на бумажке, без мяча? Откуда ты знаешь, куда он полетит?» В тот момент мне показалось, что это глупый вопрос. Раз это задают на дом, значит, узнать можно. На самом же деле Линдси затронула очень важный, очень глубокий вопрос. Почему возможно с помощью простых математических методов описывать и даже предсказывать события, происходящие в окружающем мире? Откуда взялись законы природы? В смысле, почему у природы вообще есть законы? И уж если по какой-то причине они ей необходимы, то почему эти законы так просты (взять, например, хоть закон всемирного тяготения — закон обратных квадратов)? Вполне можно представить себе вселенную, описываемую столь сложными и тонкими математическими законами, которые не под силу осмыслить даже самому гениальному математику.