Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Несмотря на колоссальную работу в области механики, проведенную Г. Галилеем, открытие основных законов движения приписывают английскому ученому Исааку Ньютону (1643–1727), который считается отцом классической физики. Ньютон и правда снял флер мистицизма со многих явлений, которые ранее считались необъяснимыми, но вот законы движения он сформулировал на основе, скорее, чужих исследований (в частности, того же Галилея, голландского ученого Х. Гюйгенса и др.), нежели собственных экспериментов.

Вообще, вопрос, как и почему происходит движение, издревле будоражил многих ученых. Однако ответить на него мешали устоявшиеся общественные предрассудки и даже суеверия. Так, образцом божественного совершенства и гармонии почему-то считался идеальный круг, и все во Вселенной должно было вписываться в эту фигуру. Астрономы, например, точно знали, что планеты обходят Солнце по правильной окружности без малейших отклонений, ведь разве может Высший Разум создать что-то несовершенное?

На фоне подобных заблуждений работа Ньютона «Математические начала натуральной философии», выпущенная в 1667 г., стала настоящим прорывом, ведь в ней среди прочего были изложены основные законы движения.

Первый закон подразумевал следующее: если движущийся объект не толкать и не пытаться остановить, он продолжит движение по прямой, не меня своей скорости; если же объект пребывает в состоянии покоя, то он так и будет лежать/стоять, пока кто-то или что-то не сдвинет его с места. К примеру, карета, стоящая на ровной, не наклонной дороге, не поедет, пока ее не потянут лошади. Об этом явлении — инерции — уже говорил Галилей, однако он не рассматривал случаев непрямолинейного движения. Скажем, такой: что будет, если хорошенько раскрутить над головой металлический шар на веревке, а затем разжать ладонь? Во время раскручивания шар будет двигаться строго по кругу благодаря центростремительной силе, направленной вдоль веревки к руке. А когда его отпустят, он ровно миг пролетит по прямой, а потом под действием земного притяжения направится вниз, по касательной к «орбите», на которой вращался (только в открытом космосе, где нет гравитации, шар продолжал бы лететь прямо). При этом его скорость будет такой же, как при вращении.

Примерно так Ньютон представлял себе Солнечную систему, где само Солнце играет роль руки, а каждая планета выступает шаром, привязанным к светилу веревкой-тяготением. Обитателям планеты кажется, будто она не движется, потому что центростремительная гравитационная сила, направленная к центру вращения, равна центробежной, направленной от центра к телу. В то же время со стороны видно, что из-за силы тяготения планета постоянно меняет свое направление и ускоряется (Ньютон говорил «изменяет движение») — то есть двигается равноускоренно.

Итак, первый закон движения описывает, действует ли на объект внешняя сила, а второй между тем демонстрирует, как именно приложенные силы влияют на ускорение объекта. Ньютон нашел, что соотношение силы и ускорения прямо пропорционально: чем активнее толкать какой-либо объект, тем больше он будет ускоряться. А вот если толкать несколько разных объектов с одной силой, то лучше всех разгонится самый легкий — то есть ускорение тела обратно пропорционально его массе.

Из этого Ньютон заключил, что предсказать состояние и поведение любой механической системы (в том числе Вселенной) очень просто. Нужно только рассчитать, сколько весят все составляющие этой системы (либо выяснить их местоположение и скорости), а также узнать, куда направлены и насколько велики действующие там силы. Такая убежденность в простоте устройства мира сохранялась до конца XIX в., когда сформировался новый раздел физики — квантовая механика.

Ну а суть третьего закона движения в том, что любое действие встречает противодействие. Спрыгнув со ступеньки, мы чувствует удар о землю, но и земля получает от нас удар такой же силы. Когда мы бросаем мяч, он отскакивает от земли с силой, какую мы к нему приложили, только направленной не вниз, а вверх. Так и ружье отскакивает при выстреле — ведь выпущенная пуля отдает ему приложенную силу. При этом силы действия и противодействия имеют разную природу. Скажем, Земля тянет к себе мяч гравитацией, а мяч влияет на землю собственным притяжением, поэтому фактически мяч и земля устремляются навстречу, но поскольку первый несопоставимо легче второй, то его ускорение заметно, а ускорение Земли — нет.

Хотя квантовая физика впоследствии продемонстрировала, что законы Ньютона не универсальны, им подчиняется большинство природных явлений — по крайней мере тех, что происходят в макромире и касаются нашей обыденной жизни. Не зная и не соблюдая этих законов, люди не могли бы строить дома, конструировать машины, запускать в космос корабли… Так что данное открытие предоставило человечеству огромные возможности в познании мира и развитии технологий.

«Эврика!» («Нашел!») — такое восклицание вырвалось у древнегреческого ученого Архимеда в связи с открытием, что если какой-либо предмет опустить в жидкость или поместить в газообразное вещество, то его вытолкнет с такой силой, которую можно приравнять к весу вытесненной субстанции. Закон получил имя великого ученого и статус основы гидростатики. А между тем Архимед (287–212 до н. э.) пришел к нему совершенно случайно.

Однажды придворный ювелир по заказу своего государя — правителя Сиракуз Гиерона — смастерил венец из золота. Монарх заподозрил умельца в обмане: мол, не смошенничал ли ты, голубчик, изготовив венец не из чистого золота, а из сплава с серебром? Проверить это, не повредив изделия, мог только Архимед. Дни и ночи корпел он над венцом, пытаясь выяснить, из чего же сделано украшение, но все было впустую. Озарение снизошло на ученого лишь в купальне. Погружаясь в воду, он увидел, как вода выплескивается через край, и, осененный гениальной догадкой, с возгласом «Нашел!» помчался домой — проверять свою догадку.

На следующий день он явился ко двору и потребовал у царя емкость, до краев наполненную водой, а также золотой и медный слитки, которые по весу не отличались бы от венца. Гиерон предоставил Архимеду все необходимое, и тот начал свой эксперимент. Опустил в емкость серебро, затем вытащил слиток и измерил, какой объем жидкости вытек. После долил воды и повторил то же самое с золотом и венцом. Золотой слиток вытеснил гораздо меньше жидкости по сравнению с серебряным, а готовое изделие заняло промежуточную позицию. Так и стало ясно, что венец не чисто золотой, а с примесью.

Таким образом, Архимед не только открыл важный физический закон, но еще и придумал, как определить все элементы и их соотношение в составе изделия, не испортив последнее.