В океане энергии

Справедливость законов Ньютона подтверждает повседневный жизненный опыт. Выпущенная из лука стрела летит, с нашей точки зрения, по прямой до тех пор, пока не' столкнется с мишенью. То же происходит с пистолетной или винтовочной пулей. Брошенный камень движется, правда, не по прямой, а по кривой, близкой к параболе, но и этому немедленно находится объяснение Причина — в притяжении Земли. Земля и есть то самое другое тело, которое, воздействуя на камень, искривляет его траекторию.

Пока все сходится. Но вот выпущен артиллерийский снаряд, причем летит он в космическом пространстве, где нет никаких других воздействующих на него тел. В таком случае его движение строго равномерно и строго прямолинейно. А вот снаряд взорвался — распался на множество осколков. Каждый из осколков отнюдь не продолжает траекторию снаряда, а может отклониться от нее на сколь угодно большой угол. Заметьте, в этом мысленном опыте нет никаких других тел, которые могли бы воздействовать на снаряд. Так что же, первый закон Ньютона несправедлив?

Да, осколки разлетаются в разные стороны, но всякий знает, что существует точка, называемая центром масс, и эта точка продолжает равномерное прямолинейное движение до тех пор, пока хотя бы один из осколков не испытает воздействия со стороны других сил. Так для чего справедлив закон Ньютона — для реальных физических тел или для мысленных точек? Ведь если снаряд находится в космическом пространстве, то его осколки после взрыва могут удалиться от мысленной точки на расстояния в сотни и тысячи километров. Так что же тогда движется прямолинейно и равномерно?

Законы Ньютона, безусловно, справедливы, если для их действия созданы определенные условия. Но содержат они и серьезную слабость, потому что предполагают наличие твердых, не изменяющих свою форму и размеры тел, с каждым из которых связывается мысленная точка, называемая центром масс. Сталкиваемся с ситуацией, уже рассмотренной в первой главе: законы классической физики справедливы не для реальных физических объектов, а для мысленных конструкций.

Но нас интересует не это. Что показал пример со снарядом? Если тело при своем движении распадается на отдельные части, то движение некоторых частей может не продолжать предыдущую траекторию движения тела. Совершенно неважно, каким образом тело распадается на части и движение каких частей рассматривается. Важно, что все такие превращения подчиняются общему физическому закону, который получил название закона сохранения количества движения. Здесь удобно сформулировать его следующим образом: количество движения физической системы, представляющей собой одно тело или множество тел (частей), остается постоянным и может быть изменено лишь в результате взаимодействия с другими физическими системами.

Количество движения — это произведение массы на скорость. Масса физической системы (рассматриваем нерелятивистский случай) равна сумме масс ее частей. Количество движения физической системы равно сумме количеств движения ее частей. Количество движения аддитивно, и это еще одно фундаментальное свойство природы. Следовательно, можно представить себе некоторую скорость, равную сумме скоростей частей физической системы,— она будет оставаться постоянной. Но в общем случае это лишь мысленная скорость, потому что реальной скорости не может быть без объекта, который с этой скоростью движется.

Итак, истинное поведение любой физической системы подчиняется закону сохранения количества движения, который требует, чтобы сумма количеств движения всех частей оставалась постоянной.

Не улетай, Земля, не улетай!

Представьте себе Землю, вращающуюся вокруг Солнца, и нет никакой силы притяжения. Просто Земля — это сложная система, и в процессе своего движения она постоянно испускает маленькие частички (назовем их гравитонами) в направлении, противоположном направлению на Солнце. Система, состоящая из земного шара и гравитонов, точнее, центр масс этой системы, движется прямолинейно и равномерно. Но гравитоны удаляются от Солнца, следовательно, для того чтобы сумма количеств движения оставалась неизменной, земной шар должен все время заворачивать к Солнцу, т. е. двигаться по круговой, точнее эллиптической, орбите. Все происходит, как в случае с разорвавшимся снарядом. Можно считать, что Земля — один осколок, а гравитоны — множество других. Вот видите, все находит объяснение без привлечения понятия силы. Для этого достаточно допустить существование крохотных частиц с неизвестными пока свойствами.

Конечно, объяснение движения Земли по орбите с помощью гравитонов порождает множество вопросов. Откуда берутся гравитоны? Куда они потом деваются? Почему Земля, непрерывно испускающая гравитоны, рано или поздно не истощит их запасы? Почему те же самые гравитоны не будут излучаться в отсутствие Солнца? На некоторые вопросы можно ответить, но на часть из них современная наука ответов пока не нашла.