Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Уверенный в рациональности природы и в пифагорейско-платоновском представлении о том, что природу можно понять посредством математики, Галилей решает изучить, как движутся предметы на Земле, когда они свободны, то есть когда они падают. Будучи убежден в том, что должен существовать соответствующий математический закон, он начинает его поиск методом проб и ошибок. Впервые в истории человечества он ставит эксперимент. Экспериментальная наука начинается с Галилея. Его эксперимент очень прост: он позволяет предметам падать, то есть дает им возможность следовать тому, что для Аристотеля было их естественным движением, и старается точно измерить скорость их падения.

Результат эксперимента был поистине эпохальным: оказалось, что предметы вовсе не падают всё время с постоянной скоростью, как все полагали раньше. Напротив, в начале падения их скорость постоянно увеличивается. Постоянством на этой стадии характеризуется не скорость падения, а его ускорение, иначе говоря темп, в котором возрастает скорость. И удивительным образом это ускорение оказывается одинаковым для всех предметов. Галилей выполняет первое грубое измерение этого ускорения и находит, что оно постоянно. Его значение составляет примерно 9,8 метра в секунду за секунду, то есть каждую секунду своего падения предмет увеличивает скорость на 9,8 метра в секунду. Запомните это число.

Это первый математический закон, открытый для земных предметов: закон падения тел[37]. До этого момента были открыты лишь математические законы движения планет. Математическое совершенство больше не ограничено небесами.

И все же величайший результат еще впереди, и получит его не кто иной, как Исаак Ньютон. Ньютон тщательно изучает результаты Галилея и Кеплера и, объединяя их, находит настоящий скрытый бриллиант. Мы можем проследить за его рассуждениями на примере «маленькой луны», как делает он сам в «Математических началах натуральной философии» – книге, в которой оформились основания современной науки.

Представьте себе, что Земля, пишет Ньютон, имеет много лун, подобно Юпитеру. Помимо настоящей Луны, вообразим другие спутники, и в частности маленькую луну, которая обращается вокруг Земли на минимальном расстоянии от нее, чуть выше горных пиков. С какой скоростью двигалась бы эта маленькая луна? Один из открытых Кеплером законов связывает радиус орбиты с периодом обращения, то есть с временем, которое уходит на один полный оборот[38]. Мы знаем радиус орбиты настоящей Луны (Гиппарх измерил его еще в древности) и ее период обращения (один месяц). Мы знаем радиус орбиты маленькой луны (радиус Земли измерен Эратосфеном в древности). Из простой пропорции можно вычислить орбитальный период маленькой луны. Получается полтора часа. Маленькая луна совершала бы один оборот вокруг Земли каждые 90 минут.

Далее, находящийся на орбите объект не движется прямолинейно: он постоянно изменяет направление, а изменение направления – это ускорение. Маленькая луна ускоряется в направлении центра Земли. Это ускорение нетрудно подсчитать[39]. Ньютон делает простые вычисления и в результате получает… 9,8 метра в секунду за секунду! То же самое ускорение, что и у Галилея в экспериментах с падающими телами на Земле.

Совпадение? Не может быть, заключает Ньютон. Если результат одинаков – ускорение вниз величиной 9,8 метра в секунду за секунду, – то и причина должна быть одна. А значит, сила, которая заставляет маленькую луну обращаться по своей орбите, должна быть той же, что заставляет предметы падать на земную поверхность.

Мы называем силу, заставляющую предметы падать, гравитацией. Ньютон понимает, что эта самая гравитация заставляет маленькую луну обращаться вокруг Земли. Без гравитации она улетела бы прочь по прямолинейной траектории. Но тогда и настоящая Луна тоже должна обращаться вокруг Земли из-за гравитации! И спутники Юпитера притягиваются Юпитером, и планеты, которые обращаются вокруг Солнца, притягиваются Солнцем! Без этого притяжения любое небесное тело двигалась бы прямолинейно. И тогда Вселенная – это огромное пространство, где тела притягиваются друг к другу определенными силами и существует универсальная сила гравитации: каждое тело притягивается ко всем другим телам.

Грандиозная картина обретает форму. Внезапно, спустя тысячелетие исчезает разделение между небесами и Землей: больше нет «естественного уровня» для вещей, как предполагал Аристотель, нет центра мира, предметы обретают свободу и больше не стремятся к своему естественному месту, но движутся прямолинейно и вечно.