Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Во времена Аристотеля Земля рассматривалась как неподвижное тело, стоящее в центре Вселенной; понятие «покой» поэтому имело буквальное, литеральное значение. В настоящее время то, что мы обычно понимаем под понятием «покой», означает состояние, при котором тело находится неподвижным относительно поверхности Земли. Но мы знаем (и Ньютон также уже знал), что сама Земля находится в движении относительно Солнца и относительно собственной оси. Тело, опирающееся на поверхность Земли, поэтому в действительности не может находиться в состоянии покоя вообще. Фактически именно проблема того, что же понимается под терминами «покой» и «движение», вызвала к жизни новое представление о Вселенной в форме «теории относительности» Альберта Эйнштейна, которую он выдвинул в 1905 году. В этой книге, однако, мы не столкнемся ни с какими осложнениями, если примем допущение, что под терминами «покой» и «движение» мы подразумеваем «покой относительно поверхности Земли» и «движение относительно поверхности Земли».

Иногда говорят, что взгляд Эйнштейна на Вселенную «опровергает» взгляды Ньютона. Это слишком простая точка зрения. На самом деле взгляды Эйнштейна более приемлемы для более широкого диапазона обстоятельств. При обычных обстоятельствах, однако, эйнштейновское представление работает примерно идентично ньютоновскому представлению. В этой книге мы будем рассматривать только обычные обстоятельства, поэтому необходимости вовлекать теорию относительности не будет.

Мы знаем из опыта, что, если отталкиваем от себя объект, он перемещается от нас; если же он уже перемешается, то это заставляет его перемешаться еще более быстро. Таким же образом, чтобы остановить перемещающееся тело, мы всегда прикладываем силу в направлении, противоположном его движению. Опыт подсказывает нам, что ускорение, произведенное силой, направлено в ту же сторону, что и сила.

В английском языке, в отличие от русского, для обозначения термина «скорость» служат слова «speed» (скорость) и «velocity» (векторная скорость). Автор поясняет различие в смысле этих двух вариантов английского обозначения термина. В русских же учебниках физики обычно говорят о скорости только как о векторной величине. В данной книге автор в дальнейшем практически всегда под термином «скорость» понимает векторную скорость. (Примеч. пер.)

Килограмм-метр на секунду в квадрате. (Примеч. пер.)

Яблоко не падало ему на голову, несмотря на то что сотни карикатуристов утверждают обратное.

В наше время, когда снаряды запускают за много миль, правильный выбор если требует большего, чем идеализированная парабола Галилео. На движение снаряда влияет множество факторов, таких, например, как кривизна поверхности Земли, изменение скорости вращения в зависимости от широты, величина сопротивления воздуха (которая изменяется в зависимости от высоты и температуры), сила и направление ветра, движение объекта, на который нацелено орудие, и объекта, несущего это орудие (если, например, оба объекта — военные корабли) и т. д. Однако все эти эффекты просто изменяют форму параболы, не затрагивая основного принципа, выведенного Галилео, который в своей базовой форме может служить только для представления очень упрошенной, но в то же время весьма полезной модели реальной ситуации.

Однако из каждого правила можно изобрести исключение. Если бы Земля была полой, то в пределах пустоты не имелось бы никакой суммарной силы тяготения. Тело, находящееся в пределах этой пустоты, не было бы притянуто Землей. Однако это — искусственно придуманное исключение, которое не имеет никакого практического значения; любое тело, которое является достаточно большим, чтобы иметь поле тяготения значительной величины, является слишком большим, чтобы сохранять такую полую структуру.

Однако обобщение Ньютона, рассматривающее тяжесть, — только аппроксимация и не является абсолютно правильным. Уже в середине XIX столетия было обнаружено, что планета Меркурий имеет в своем движении один маленький компонент, который нельзя было объяснить в соответствии с законом Ньютона. Он оставался необъясненным, пока Альберт Эйнштейн не выдвинул в 1915 году свою «Общую теорию относительности». Это теория — более продвинутая, мощная и спорная, чем «Специальная теория», вышедшая в 1905 году, — предлагала более широкое представление о Вселенной, чем то, что было выражено в законах Ньютона. При обычных условиях эти два представления были примерно одинаковы, однако в экстремальных условиях они расходятся, и, когда работа представлений проверяется на таких крайностях, кажется, что взгляды Эйнштейна больше соответствуют истине, чем взгляды Ньютона.

Единицы измерения веса (фунт, унция и т. д.) использовались задолго до того, как Ньютон разработал свою концепцию массы. Единицы измерения веса были заимствованы и применены к массе, что стало «ошибкой, не подлежащей исправлению».

Между прочим, масса тоже не полиостью постоянна. Однако изменения в массе объектов становятся важными только при экстремальных скоростях и вряд ли могут встретиться вам в обычной жизни.

Сейчас, в начале XXI века, мы можем сказать: «Уже давно встали». (Примеч. пер.)

Поскольку эта книга является «велением в физику, я не всегда буду давать деривацию используемых уравнения, так как это может вовлечь в разговор необъясненные концепции или математические методы, которые я предпочитаю не использовать.

Под словом «система» подразумевается конечное число обсуждаемых тел, в данном случае двух хоккейных шайб, рассматриваемых вне связи с остальной частью Вселенной.

Пожалуйста, не забывайте, что выражение «кажется невероятным» не означает «невозможно».

Важно отметить фразу «из некоторого фиксированного положения», потому что термины «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки» не являются абсолютными. Колесо может казаться поворачивающимся по часовой стрелке, когда вы смотрите на него с одной стороны, но если вы переходите на противоположную сторону, то рассматриваемое колесо будет казаться вам поворачивающимся против часовой стрелки. То же самое истинно, если мы говорим о поступательном движении, что тело двигалось «влево» или «право» или «к» и «от». Все эти термины имеют значение только тогда, когда вы учитываете ваше собственное расположение. Однако если вы говорите относительно «севера», «юга», «востока» или «запада», то эти термины устанавливаются относительно Земли и не зависят от вашего собственного расположения.