Естественнонаучная картина мира - [41]

Получение элементарной модели движения заложило основы для дальнейшего теоретического осмысления движения, как такового, ибо позволяло говорить о любых механических процессах как частных случаях первого закона Галилея – Ньютона. Все эти процессы связаны, в первую очередь, с воздействием некой силы, обобщенно говоря, некоторого внешнего действия (действий) некоторых внешних тел.

Тайна движения обнаруживается, таким образом, как некоторое (некоторые) нечто, порожденное воздействием иного тела на тело, движущееся прямолинейно-равномерно. Вопрос, что именно порождает (изменяет) сила, имеет на первый взгляд очевидный ответ: конечно, скорость, поскольку под действием силы тело начинает двигаться быстрее или медленнее, то есть неравномерно.

В этой непосредственной очевидности мы видим ту же ошибку, что и в решении Аристотелем проблемы падения двух тел одинаковой массы: то, что ясно и отчетливо в чувственной интуиции, может оказаться ложным в ходе дальнейшего исследования. Во-первых, одна и та же сила может как ослаблять, так и усиливать скорость – как в примере с брошенным вверх камнем, летящим до определенного момента превращения скорости в нулевую и падающим после этого вниз с увеличением скорости. Во-вторых, скорость – величина относительная, зависящая от выбора системы отсчета (в данном случае мы предполагаем, что системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно-прямолинейно или покоятся, то есть являются инерциальными). Нет никаких абсолютных скоростей или скоростей «вообще». Моя скорость относительно письменного стола равна нулю, относительно идущего по коридору – пять километров в час (считается на обыденном уровне, что сидящий за столом неподвижен, а двигается человек в коридоре, но описанный выше галилеевский принцип дополнительности предполагает все инерциальные системы равноправными), относительно же автомобиля за окном моя скорость может достигать значений в сто – сто пятьдесят километров в час. Поэтому удобнее связать изменение движение не со скоростью, а с ее изменением, которое во всех системах отсчета будет одинаковым по величине. Эту величину мы сегодня знаем как ускорение. Хорошо знаком нам и закон, устанавливающий связь между ускорением и воздействием на тело (условно обозначим его пока F), именуемый часто вторым началом механики и вторым законом Ньютона.

Но как же происходит этот выход из простого прямолинейного равномерного движения (читатель уже догадался, что такое движение мы можем рассматривать как общий случай движения или движения вообще) в движение ускоренное? Рассмотрим два наиболее общих случая. Первый случай – мы прикладываем к движущемуся телу некоторую силу, замедляя его движение или вовсе останавливая его, либо ускоряя. Мы замечаем, что, чем больше масса тела, тем более тело инертно, то есть больше усилий необходимо затратить на изменение его движения. Эта связь выражается следующим образом: F = ma. Второй случай: мы прилагаем усилие не вдоль направления движения тела, а под углом, сколь угодно большим. Шарик движется в этом случае по кривой (вектор скорости отклоняется «массой усилия») – таким образом, любое непрямолинейное движения может и должно считаться ускоренным. Мы еще раз убедились, что инерциальное движение само по себе не имеет причин, причины же всегда сопровождают только неравномерное и непрямолинейное движения. Обратим внимание на то, что пространство никоим образом на движение (как и на его описание) не влияет. Тело движется в пространстве и проходит в нем определенный путь по той или иной траектории. Может ли пространство влиять на это движение (то есть иначе говоря, может ли пространство ускорять или замедлять тело и ускоряться само)? Нет, конечно – оно всегда остается вместилищем движения (однородным, изотропным, пустым) и т. д. Оно никак не меняется, если я перемещаюсь прямолинейно, сворачиваю направо или останавливаюсь. То же следует отнести и ко времени – оно не изменяется при движении и течет одинаково для движущихся и неподвижных тел во всех системах отсчета. Обратим внимание, что, несмотря на соответствие вышеуказанных положений о пространстве и времени здравому смыслу, они никак не обосновываются и не доказываются И. Ньютоном, а потому и носят характер «метафизических» (то есть очевидных доопытных структур) и, как покажет дальнейшее развитие науки, очень спорных.

Наконец, третий ньютоновский закон, который ученый также не считал исключительно своим открытием, – закон, связывающий действие и противодействия. Всякое действие вызывает противодействие. Всякое усилие – противоусилие, направленное в противоположную сторону.

Все указанные выше законы участвуют в формулировке так называемого закона всемирного тяготения, связывающего такие величины как массы взаимодействующих объектов и расстояния между объектами: F_т = GMm/R² (F_т – сила тяготения, G – гравитационная постоянная, M и m – массы взаимодействующих тел, R – расстояние между этими телами). Одна из глубочайших идей И. Ньютона, породившая легенду о «падающем яблоке», – это идея о том, что в свободном падении все тела у поверхности Земли стремятся к ее центру, распространенная на Луну (а затем перенесенная на взаимодействие Солнца и планет), формулируется, как мы видели, предельно просто и ясно – как прост и ясен весь ньютоновский мир. Свободное падение Луны (или планеты на Солнце) компенсируется силами, заставляющими ее двигаться по эллипсоидной траектории. Последняя, в свою очередь, также может быть рассмотрена как сложение векторов сил, взаимодополняющих друг друга: «желающее» двигаться прямолинейно и равномерно тело захватывает центростремительная сила, ускоряя тело в направлении центра орбиты, и тут же возникает противоположная по направлению сила, центробежная, выталкивающая тело с орбиты. Движение тела, таким образом, становится всего лишь результатом комбинаций сил, действующих на тело в пространстве.