О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики

Я решил (до сих пор помню это совершенно отчетливо), что мой полет будет продолжаться по полуокружности вверх, пока сила тяжести вступит в свои права, после чего я легко приземлюсь на ноги, совершив красивое entrechat.

Действительность оказалась намного прозаичнее. Я некоторое время летел по касательной к описываемой полуокружности в той точке, где отпустил кольца, после чего тяжело и неуклюже шлепнулся на бок.

Слегка очухавшись, я встал^[6] и, пошатываясь, вышел из зала. За всю жизнь мне не пришлось пережить более тяжелого падения.

Не могу не отметить, что этот случай дал мне изрядную пищу для ума. Впоследствии я много размышлял о проблемах инерции, обдумывал способы сложения векторов и даже вывел некоторые закономерности дифференциального исчисления.

Откровенно говоря, после этого падения я впервые осознал тот факт, что сила тяжести может быть очень опасной и, если ее ежеминутно не контролировать, в прямом смысле способна сразить тебя наповал.

С этой силой сталкивается каждое человеческое существо, причем очень рано. Ребенок, делающий первые шаги в возрасте года или около того, непременно спотыкается и падает, — так он начинает познавать действие силы тяжести на практике.

Мне рассказывали, что дети обладают инстинктивным страхом перед падением, причем он заложен в них с доисторических времен, когда наши далекие предки — человекообразные обезьяны — жили на деревьях и боялись с них свалиться.

Тогда можно сказать, что гравитация — это первая сила, с которой сталкивается любое человеческое существо. Мы никогда не забываем о ее существовании, ведь при каждом шаге, вздохе или ударе сердца нам приходится ее преодолевать. И для этого мы никогда не прекращаем прилагать определенные усилия.

Немного утешает то, что эта мощная сила является нашей защитницей. Она привязывает нас к поверхности планеты и не позволяет улететь в космос. Также она удерживает на Земле воздух и воду, которыми мы постоянно пользуемся. Кстати, она держит и саму Землю на орбите вокруг Солнца, в результате чего мы получаем необходимые нам свет и тепло.

Людям часто кажется удивительным, что гравитация — отнюдь не самая мощная сила во Вселенной. Сравним ее с электромагнитной силой, которая позволяет магниту притягивать железо, а протону — электрон. (Электромагнитная сила может не только притягивать, но и отталкивать, что недоступно для гравитации. Но не будем пока об этом.)

Каким образом можно провести сравнение относительных величин электромагнитной и гравитационной силы?

Представим себе два объекта, которые остались единственными во Вселенной. Гравитационная сила, действующая между ними, может быть найдена по следующей формуле (ее вывел еще Ньютон):

F_g = gmm′/d² (формула 1).

Здесь F_g — гравитационная сила, действующая между двумя объектами, m, m′ — масса объектов, d — расстояние между ними, a g — универсальная гравитационная постоянная.

Особое внимание следует обратить на единицы измерения. Если измерить массу в граммах, расстояние в сантиметрах, a g в более сложных единицах, гравитационную силу мы получим в динах. (Еще до конца этой главы мы откажемся от этой единицы измерения силы, поэтому нет никакой необходимости подробно объяснять, что это такое. Объяснение вы найдете в главе 13.)

Итак, перейдем к делу. Величина g является постоянной (насколько нам это известно) для всей Вселенной. В тех единицах, которыми я в настоящее время пользуюсь, это 6,67 × 10^-8 = 0,0000000667.

Теперь давайте представим, что мы рассматриваем объекты с одинаковой массой. Это означает, что m = m′, а mm′ = mm = m². Более того, давайте предположим, что расстояние между центрами частиц составляет ровно 1 см. В этом случае d = 1, d² = 1. Формула 1 приобретает следующий вид:

F_g = 0,0000000667 m² (формула 2).

Теперь можно перейти к электромагнитной силе, которую мы обозначим F_e.

Ровно через 100 лет после открытия Ньютоном закона тяготения французский физик Шарль Августин де Кулон вывел очень похожую формулу для электромагнитной силы, действующей между двумя заряженными объектами.

Теперь предположим, что два объекта, для которых мы рассчитываем гравитационные силы, также несут электрический заряд, так что на них действует еще и электромагнитная сила. Дабы убедиться в том, что электромагнитная сила является притягивающей и сравнимой с гравитационной силой притяжения, предположим, что один объект несет положительный электрический заряд, а второй — отрицательный. (Принцип сохранится, даже если мы будем использовать одноименные заряды и измерять силу электромагнитного отталкивания, но зачем отвлекать внимание?)

Кулон доказал, что электромагнитная сила, действующая между двумя объектами, выражается формулой:

F_e = qq′/d² (формула 3),

где q, q′ — заряды объектов, а d — расстояние между ними.