"Шестьсот миллионов биений сердца назад". Отрывок из книги физика Энтони Агирре
В конце августа в издательстве Corpus выйдет книга физика, математика и популяризатора науки Энтони Агирре "Космологические коаны". Коаны — жанр дзен-буддистской литературы. Читателю предлагается ответить на сложный вопрос или найти решение проблемы, основываясь не на своем опыте, а на только что озвученных фактах. Именно в таком ключе Агирре рассказывает о нашей Вселенной, которую, по его мнению, стоит познавать на интуитивном уровне — только тогда станут понятны даже самые сложные физические термины. С разрешения издательства "Сноб" публикует отрывок из главы "Отплытие".
Шестьсот миллионов биений сердца назад*...
Над портом навис густой туман, отплытие откладывалось, и это, казалось, длилось бесконечно. Отважиться на такое безумное путешествие было непросто, но решение уже принято и тебе не терпится поскорее отправиться в путь. Ты уныло смотришь вокруг, разглядывая другие суденышки, выплывающие из тумана и растворяющиеся в нем.
Когда соседний корабль скользит мимо тебя к причалу, твое сердце замирает — тебе на мгновение кажется, что твой корабль наконец-то отплывает. Поражаясь своему нетерпению, ты понимаешь, что ошибся. Да когда же начнется это долгожданное путешествие?!
Но вот ты и в самом деле уже на пути к исламским империям и легендарным восточным королевствам, расположенным к востоку от них. Ночью ты очнулся от сна и ощутил, что в каюте как-то слишком тихо. Может, ветер утих? Или ты утонул и находишься на том свете? Не в силах уснуть от предвкушения приключений, ты поднимаешься на палубу и к своему удивлению видишь, что корабль плавно, но быстро движется по спокойной морской глади, подгоняемый легким ветерком.
Ты поражен: как это тебя угораздило спутать корабль, мчащийся под парусом, с кораблем, стоящим на якоре? Значит, ты не сумел отличить движение от покоя?
Возможно, ты подумаешь, засмотревшись на мерцающие звезды: а вдруг весь мир (с тобой вместе) мчится с невообразимой скоростью сквозь пространство? Узнаешь ли ты об этом когда-нибудь?
Ты затаился... под палубами большого корабля... пока его движение плавное, без рывков и остановок, корабль может плыть с любой скоростью, и ты не заметишь никакой разницы.
Галилео Галилей "Диалог о двух главнейших системах мира"
В данный момент, поскольку Земля вращается вокруг своей оси, мы вращаемся вокруг ее центра со скоростью порядка 1000 километров в час (км/час). Земля вращается вокруг Солнца со скоростью примерно 108000 км/час, или около 30 км /сек. В свою очередь Солнце вращается вокруг центра нашей Галактики — Млечного пути — со скоростью 220 км/сек, а наша Галактика несется в межгалактическом пространстве с почти вдвое большей скоростью. В настоящий момент мы в буквальном смысле мчимся сквозь вселенную со скоростью около 1000 махов: такой скоростью кого угодно можно доставить в любую точку Земли меньше, чем за минуту. Вы ощущаете эту скорость?
Нет, не ощущаете, как не ощущаете движения плавно скользящего в воздухе со скоростью 1000 км/час самолета (очень медленного по отношению к приведенным выше скоростям), когда, сидя в нем, потягиваете свой коктейль. И вспомните еще моменты смятения, связанные с автомобилем, когда вы никак не можете понять, что происходит: это вы едете вперед — или ваш сосед сдает назад? Вы наверняка замечали эту странность нашего мира, но скорее всего не слишком о ней размышляли. А если все же поразмышлять?
Сначала определим условия опыта, подобно тому, как сделал это Галилей в своем знаменитом "Диалоге": если мы внутри закрытой каюты корабля, тогда наши наблюдения — в той мере, в какой они ограничены пространством внутри каюты (причем наружу мы не выглядываем), — одинаковы, они не зависят от того, стоит ли корабль на якоре или движется с любой постоянной скоростью в любом направлении. На основании этих наблюдений у нас появляется дилемма.
Во-первых, возможно, мы недостаточно внимательно проводили наблюдения и с помощью более точного эксперимента нам удастся понять, что мы движемся. Например, мы можем принять как постулат, что у детей имеется специальное чувство, которое позволяет им засыпать, когда судно разгоняется до скорости больше 100 км/час, и просыпаться, когда скорость его падает ниже этой величины. Но это, конечно, чепуха. Это крохотные добавки к скорости 108000 км/час, с которой мы движемся вокруг Солнца, так что непонятно, как ребенок может почувствовать эту дополнительную скорость, однако не чувствовать ту, с какой мы вращаемся вокруг Солнца. (По-видимому, на младенцев оказывают снотворное действие шум мотора или вибрация.) Более того: в ходе невероятно точных лабораторных экспериментов, проводившихся в течение более ста лет, не удалось найти ни одного эффекта, который бы позволил распознать абсолютную скорость нашего движения.
Так что выберем‐ка мы другой путь и просто постулируем, что нет никакого способа зарегистрировать абсолютно равномерное движение. Но если оно принципиально не регистрируется, то не стоит ли нам просто отбросить идею об абсолютном движении? Естественно, двигаться мы можем, что легко доказать, просто сделав это. То есть концепцию движения как такового мы должны оставить, но только — движения относительно чего‐то. Другими словами, два человека могут совершенно справедливо иметь разные точки зрения относительно того, движется данный объект или нет. Но они определенно согласятся в том, что два объекта движутся друг относительно друга. Побочным следствием этой относительности движения будет то, что вы всегда можете считать, будто не двигаетесь, даже если это значит, что множество других предметов движется относительно вас. В этом смысле каждый наблюдатель несет на себе своего рода "систему координат", относительно которой все остальное можно рассматривать как движущееся или покоящееся. Звучит несколько эгоцентрично, но поскольку не существует абсолютной системы координат, каждый имеет право воспользоваться собственной системой. Посмотрим теперь, куда эта "относительность" нас приведет.
Первый и необычайно глубокий вопрос, который следует задать, звучит так: "Если объект находится в движении, нужна ли посторонняя сила для того, чтобы поддерживать это движение (иначе объект вернулся бы к состоянию покоя)?" Аристотель полагал (и с ним тысячелетиями соглашались лучшие умы человечества), что посторонняя сила для поддержания движения необходима. Но считаете ли и вы так же, притом что мы смело заявили (и опыт это подтвердил), что абсолютного движения не существует?
Я надеюсь, что нет. И что вы оцените глубочайшее прозрение Галилея: если нет такой вещи как абсолютное движение, то нет ничего особо естественного, простого или специального в состоянии покоя. Покоиться так же естественно, как и двигаться с постоянной скоростью! Галилей сформулировал это следующим образом: "Если (тяжелый объект) приведен в состояние покоя, он останется в этом состоянии; если же он, к примеру, движется на запад, он самостоятельно будет продолжать это движение". Предположение Аристотеля о том, что объекту для продолжения движения требуется внешняя сила, неверно.
Справедливости ради нужно сказать, что у Аристотеля были веские причины думать так, как он думал, и то, что человечество столь долго принимало эту его ошибочную концепцию, вовсе не должно удивлять — ведь в обычной жизни предметы именно так и поступают! Когда вы сдвинете с места свой холодильник, он не продолжит вечно скользить по прямой без усилий с вашей стороны. Он остановится, и в обычных условиях очень скоро — как только вы перестанете его толкать. И чем сильнее вы его толкаете, тем быстрее он движется, так что вас можно простить за веру в то, что движение с постоянной скоростью требует применения силы. Однако же нет, не требует: то усилие, которое вы прикладываете, идет на противодействие силе трения между холодильником и полом. Если пол вдруг станет очень гладким, можно представить, что холодильник и в самом деле проскользит очень далеко, а если вы вообразите, что нет вообще никаких сил, замедляющих движение, то сможете представить себе холодильник скользящим бесконечно, причем для продолжения этого движения ему не понадобится никакая внешняя сила. (История физики могла бы быть совсем другой, если бы Аристотель имел возможность экспериментировать с огромными ледяными поверхностями.)
Но если состояния движения и покоя (относительно вас) холодильника равно естественны, то значит ли это, что перейти из одного состояния в другое легко? Наверняка вы согласитесь, что вовсе нет! Двигать холодильник — это нелегкая работа, и остановить движущийся агрегат не менее трудно, чем заставить его двигаться. Таким образом, холодильник будет сохранять состояние покоя или равномерного движения без применения силы, но будет сопротивляться изменению этого состояния. Назовем это свойство инерцией.
Довольно странно, что нам потребовались тысячелетия, дабы понять, что мир устроен именно так, хотя это понимание и основывается на анализе повседневного опыта, — например, иллюзии того, что корабль движется, хотя на самом деле он неподвижен, или иллюзии того, что он неподвижен, в то время как он уже плывет. Так какие еще истины мы не замечаем?
*1 биение сердца = 1 сек. 1 год = примерно 3,1525 × 10 7 сек. 600 млн сек. — это примерно 20 лет. 1630—20=1610. — Прим. научного редактора.