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

И все же к концу столетия обнаружилось, что ньютоновская теория является не более чем приближением. Вселенная оказалась сложнее, чем это предполагалось. Потребовалось найти более всеобъемлющие и уточненные объяснения.

Начало краха можно было предвидеть в той же самой середине XIX века, на которую пришелся пик ньютонианства. По крайней мере, это начало ясно просматривается сейчас, веком позже, задним числом. Змеем ньютоновского рая оказалось нечто, именуемое «воздействием на расстоянии».

Если мы рассмотрим роль движения в окружающей нас обыденной жизни, стараясь не проникать ни в космические масштабы, ни в микромир, то покажется, что тела взаимодействуют через контакт. Если вы хотите поднять камень, вы сначала должны дотронуться до него руками или использовать рычаг, который одним концом прикасался бы к камню, а другим — к вашим рукам.

Разумеется, если вы запустите мяч катиться по земле, он будет продолжать движение даже тогда, когда ваша рука уже его не касается; этот факт ставил в тупик философов древности и Средневековья.

Первый закон Ньютона устранил эту проблему, объявив, что приложение силы требуется только для изменения скорости (см. ч. I).

Для того чтобы увеличить скорость катящегося мяча, по нему надо ударить молотком, ногой или каким-нибудь предметом; ему нужен контакт с материей. (Даже реактивный выхлоп, движущийся назад и толкающий тело вперед по третьему закону Ньютона, отталкивается напрямую от тела.) Так же замедлить качение мяча может трение о землю, по которой он катится, касаясь ее, сопротивление окружающего воздуха, сквозь который он катится, касаясь его, или мягкое столкновение с материей, которой он опять же должен коснуться.

Материальный контакт может быть перенесен с одного места в другое посредством движения. Я могу стоять на одном конце комнаты и разбить бутылку, находящуюся на другом конце, бросив в нее мяч. Я вложил силу в мяч, касаясь его; затем мяч передаст силу бутылке, касаясь ее. В результате получаются два случая контакта, связанные движением.

Если бутылка неустойчиво стоит на краю стола; я могу разбить ее, просто подув на нее. В этом случае я брошу в нее не мяч, а молекулы воздуха, но принцип останется тем же.

Возможно ли, таким образом, чтобы два тела взаимодействовали без всякого физического контакта? Другими словами, могут ли два тела взаимодействовать в вакууме без того, чтобы какие-либо материальные тела этот вакуум пересекали? Такое воздействие на расстоянии очень сложно себе представить; легко понять, что это должно быть явно невозможным.

К примеру, древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н.э.), определяя природу звука, частично отказывался признать возможность воздействия на расстоянии. Аристотель понимал, что человек может слышать из-за разницы в воздухе, так как дрожащий предмет ударял по касающейся его порции воздуха, а эта порция ударяла по следующей, и этот процесс продолжался до тех пор, пока очередная порция воздуха не попадала в ухо.

Грубо говоря, именно это и происходит при распространении звука в воздухе или иной среде. На базе такого объяснения Аристотель установил, что в вакууме звук передаваться не может. В то время у человека не было средств для создания вакуума, но двумя тысячами лет позже, когда появилась возможность получать вакуум вполне приличного качества, правота Аристотеля подтвердилась.

Пользуясь подобной аргументацией, можно сделать вывод, что любое воздействие, которое кажется удаленным, на самом деле представляет собой сложную серию прикосновений и что в вакууме никакое воздействие невозможно. До XVII века считалось, что вакуума в природе не существует, что это лишь философская абстракция, поэтому проверить это предположение не представлялось возможным.

Однако в 40-х годах XIX века стало ясно, что атмосфера не может простираться бесконечно высоко (см. ч. I). Скорее всего, она не больше чем несколько десятков миль высотой, в то время как Луна отстоит от Земли на четверть миллиона миль, а другие небесные тела находятся еще дальше. Поэтому выходило, что все воздействия небесных тел друг на друга должны происходить в долгих пространствах, заполненных вакуумом.

Одно из подобных воздействий очевидно каждому; свет от Солнца достигает нас, а мы знаем, что до Солнца 93 000 000 миль [78] В самые сильные телескопы можно различить свет, прошедший через 35 000 000 000 000 000 000 миль вакуума. .

Этот свет может воздействовать на сетчатку глаза. Он может оказывать воздействие на химические реакции, происходящие в тканях растений; превращаясь в тепло, он может выпаривать воду и производить дождь, теплый воздух и ветер. Фактически источником всей энергии, используемой человеком, является в конечном итоге солнечный свет.

Солнце оказывает огромное воздействие на Землю через протяженный вакуум.

Тогда, с провозглашением Ньютоном закона всемирного тяготения в 1687 году, был добавлен второй тип воздействия, по которому считалось, что каждое имеющее массу тело обладает силой притяжения по отношению к другим телам во Вселенной, действующей сквозь бесконечный вакуум.

Когда два тела относительно близки друг к другу, как Земля и Луна или как Земля и Солнце, то сила притяжения действительно велика, и два тела втянуты в искривленную орбиту вокруг своего общего центра тяжести. Если одно тело значительно больше другого, этот общий центр тяжести находится практически там же, где и центр большего тела; тогда меньшее вращается вокруг него.

На самой Земле были известны еще два способа передачи силы сквозь вакуум. Магнит может притягивать к себе железо, а электрически заряженное тело может притягивать практически любое легкое вещество. Один магнит может или притягивать, или отталкивать другой; один электрический заряд может либо притягивать, либо отталкивать другой. Эти притяжения и отталкивания свободно проходили сквозь самый чистый вакуум, который только удавалось создать. Итак, в середине XIX века были известны четыре способа передачи силы через вакуум и соответственно четыре возможных вида воздействия на расстоянии: свет, гравитация, электричество и магнетизм. И снова представление о воздействии на расстоянии оказалось неприемлемым для физиков XIX столетия, так же как и для философов Древней Греции.

Оставались два возможных решения дилеммы, два способа избежать мысли о воздействии на расстоянии. Во-первых, предположить, что вакуум не является вакуумом в полном смысле. Очевидно, что в хорошем вакууме содержится так мало обычной материи, что ее можно проигнорировать. Но предположим, что обычная материя — не единственная форма вещества, которая может существовать.