В конце первой секунды, когда падающее тело пролетело 4,9 м, оно падает со скоростью 9,8 м/с. Через две секунды его перемещение уже равно 19,6 м, а скорость падения равна 19,6 м/с. Через три секунды расстояние, покрытое телом, уже равно 44,1 м, а падает оно со скоростью 29,4 м/с, и так далее.
Работы Галилео о падающих телах были систематизированы столетием позже английским ученым Исааком Ньютоном (1642–1727), который родился, как любят указывать, в год смерти Галилео.
Ньютон систематизировал свои знания в книге «Philosophlae naturalisprincipia mathematical («Математические принципы естественной философии»), которая была издана в 1687 году. Книга обычно упоминается просто как «Principia» («Принципы»). Аристотелевская модель физической Вселенной лежала в руинах почти сотню лет, и именно Ньютон теперь заменил ее новой, более точной и более пригодной моделью. Основу новой картины Вселенной составляют три важных научных обобщения относительно движения, которые обычно называются «три закона движения Ньютона».
Его первый закон движения можно выразить следующим образом:
«Тело остается в покое или, если оно уже в движении, остается в равномерном прямолинейном движении, если на него не воздействуют неуравновешенной внешней силой».
Как вы можете видеть, этот первый закон вступает в противоречие с аристотелевским предположением о «естественном месте» вместе с его заключением, что естественным состоянием объекта является состояние покоя на его естественном месте.
В ньютоновском представлении — для любого объекта не существует никакого естественного места. Везде, где объект находится вне действия какой-либо силы, он остается в покое. Кроме того, если он находится в движении без воздействия на него какой-либо силы, то он и останется в этом движении навсегда, не выражая никакого «желания» перейти в состояние покоя. (В данный момент я не даю определения понятию «сила», думаю, что вы, несомненно, уже имеете хотя бы грубое представление о том, что этот термин означает; надлежащее определение будет приведено позже.)
Эта тенденция движения (или покоя) к сохранению своего «устойчивого» состояния без воздействия некой внешней силы может рассматриваться как своего рода «лень» или нежелание перемен. И действительно, первый закон движения обычно еще называют принципом инерции, от латинского слова, означающего «безделье» или «лень». (Привычка к приписыванию человеческих побуждений или эмоций неодушевленным объектам называется «персонификация». Это плохая привычка в науке, хотя и весьма общеупотребимая, я же побаловался ею здесь только для того, чтобы объяснить слово «инерция».)
На первый взгляд принцип инерции не кажется почти столь же самоочевидным, как аристотелевское предположение о «естественном месте». Мы можем видеть собственными глазами, что перемещающиеся объекты действительно имеют тенденцию останавливаться, даже если мы не видим ничего, что могло бы остановить их. Опять же, если камень выпущен в воздушном пространстве, он начинает перемещаться и продолжает перемещаться все быстрее и быстрее, несмотря на то что мы не видим ничего, что вызывало бы это движение. Если принцип инерции верен, мы должны желать допустить присутствие неких тонких сил, которые не проявляют столь очевидно своего существования.
Например, хоккейная шайба, получив быстрый толчок, по тротуару или цементной площадке будет двигаться по прямой линии, но будет делать это с так быстро уменьшающейся скоростью, что скоро остановится. Если той же самой шайбе дают тот же самый быстрый толчок, но на гладком льду, то она будет двигаться намного дальше, опять же по прямой линии, но на сей раз — с медленно уменьшающейся скоростью. Если мы еще поэкспериментируем, то достаточно быстро выясним, что чем более шершавая поверхность, по которой перемешается шайба, тем быстрее она остановится.
Кажется, что крошечные неровности грубой поверхности цепляются за крошечные неровности хоккейной шайбы и замедляют движение. Это «цепляние» одних неровностей за другие называется «трением» (friction) (от латинского слова, означающего «трется»), и это трение действует в качестве силы, которая замедляет движение шайбы. Чем меньше трение, тем меньше сила трения и тем медленнее уменьшается скорость шайбы. На очень гладкой поверхности, типа упомянутого выше льда, трение настолько мало, что шайба перемещается на большие расстояния. Если мы представим себе горизонтальную поверхность без трения вообще, то хоккейная шайба будет перемещаться по этой поверхности по прямой линии с постоянной скоростью, вечно.
Ньютоновский принцип инерции действует поэтому только в несуществующем, идеальном мире, в котором никаких вмешивающихся сил не существует: нет ни трения, ни сопротивления воздуха.
Далее давайте рассмотрим камень, находящийся в воздушном пространстве. Он находится в состоянии покоя, но в момент, когда мы отпускаем его, начинает двигаться. Ясно, тогда должна иметься некоторая сила, которая заставит его двигаться, так как принцип инерции требует, чтобы при отсутствии силы тело осталось в покое. Так как движение камня, если он просто отпущен, происходит всегда в направлении земли, то и сила должна быть направлена туда же. Так как свойство, которое заставляет камень подать, долго называли «тяжестью» (gravity), было естественным назвать силу, которая вызвала это движение, «силой тяготения» (гравитационной силой), или «силой тяжести».
Поэтому казалось бы, что в доказательстве принципа инерции существует некий «порочный круг». Мы начинаем, заявляя, что тело будет вести себя некоторым способом, если на него не действует никакая сила. Затем всякий раз, когда выясняется, что тело не ведет себя таким «предсказанным» образом, мы изобретаем силу, чтобы объяснить это отклонение.
Такая круговая аргументация была бы действительно плоха, если бы мы приступали к доказательству первого закона Ньютона, но мы не делаем этого. Ньютоновские законы движения представляют собой предположения и определения и не требуют доказательств. В частности, понятие «инерция» — такое же предположение, как и понятие Аристотеля о «естественном месте». Однако между ними существует разница: принцип инерции доказал свою чрезвычайную полезность в изучении физики в течение почти трех столетий и не вовлек физиков ни в какие противоречия. Именно по этой причине (а не из каких-либо соображений «правды») физики продолжают держаться за законы движения.
Безусловно, новое релятивистское представление о Вселенной, выдвинутое Эйнштейном, однозначно дает понять, что в некоторых отношениях ньютоновские законы движения — только результат аппроксимации, приближение. При очень больших скоростях и очень больших расстояниях аппроксимации значительно расходятся с действительностью. Однако при обычных скоростях и расстояниях аппроксимации чрезвычайно хороши.
Термин «сила» происходит от латинского слова, обозначающего «силу», и мы знаем его обычное значение, когда говорим о «силе обстоятельств», «силе аргументов» или «военной силе». В физике, однако, сила определена ньютоновскими законами движения. Сила — то, при приложении чего может произойти изменение скорости движения материального тела.
Мы ощущаем такие силы обычно (но не всегда) как мускульные усилия. Мы сознаем, кроме того, что они могут быть приложены в определенных направлениях. Например, мы можем приложить силу к объекту, находящемуся в состоянии покоя, таким образом, чтобы заставить его двигаться от нас. Или мы можем приложить подобную же силу таким способом, чтобы заставить его двигаться к нам. Когда направления приложения силы ясно видны, в обычной разговорной речи мы даем таким силам два отдельных названия. Сила, направленная непосредственно от нас, — толчок; направленная непосредственно к нам — рывок. По этой причине сила иногда определяется как «толчок или рывок», но это не является определением, а только сообщает нам, что данная сила является одним или другим видом силы.
Величина, которая обладает и размером и направлением, как сила, называется «векторной величиной» или просто — «вектором». Та же величина, которая имеет только размер, называется «скалярной величиной». Например, с расстоянием обычно обращаются как со скалярной величиной. Можно сказать, что автомобиль прошел расстояние в 15 миль — при этом не учитывается направление, в котором он путешествовал.
С другой стороны, при некоторых обстоятельствах важное значение имеет объединить направление с расстоянием. Если город B находится на 15 миль к северу от города A, то недостаточно направить автомобилиста, указав расстояние в 15 миль, чтобы он мог достигнуть города В. Необходимо определить направление движения. Если он поедет 15 миль на север, он туда доберется, если же он проедет те же 15 миль на восток (или в любом другом направлении, кроме северного), он туда не попадет. Если мы назовем комбинацию размера пройденного расстояния и направления движения «перемещением», то можно сказать, что перемещение — векторная величина (или просто — вектор).
Важность понимания различий между векторами и скалярами состоит в том, что эти два вида величин управляются по-разному. Например, при сложении скаляров достаточно использовать обычное правило сложения, преподаваемое в начальной школе. Если вы путешествуете 15 миль в одном направлении, потом — 15 миль в другом направлении, полное расстояние, пройденное вами, равно 15 плюс 15, или 30 милям. Безотносительно направления полное расстояние равно 30 миль. Если вы перемещаетесь на 15 миль на север, потом — еще на 15 миль на север, то полное перемещение составляет: север — 30 миль. Предположим, однако, что вы путешествуете 15 миль на север, а потом 15 миль на восток. Чему же тогда равно ваше полное перемещение? Как далеко, другими словами, находитесь вы от своей отправной точки? Полное расстояние, которое вы прошли, — по-прежнему те же 30 миль, но ваше окончательное перемещение: северо-восток — 21,2 мили. Если вы путешествуете на север на 15 миль, а затем на юг на 15 миль, расстояние, которое вы прошли, — по-прежнему те же 30 миль, но ваше окончательное перемещение составляет 0 миль, поскольку вы вернулись назад к вашей отправной точке.
Таким же образом, имеется обычное приращение — скалярное и «приращение векторное». Обычное приращение 15 + 15 — всегда равно 30; в векторном приращении 15+15 может быть равно чему угодно в пределах от 0 до 30, в зависимости от обстоятельств.