Том 18. Открытие без границ. Бесконечность в математике - [8]
Само собой разумеется, что точность этих часов оставляла желать лучшего, но не из-за несовершенства часовых механизмов, а из-за действия законов элементарной физики. Противовес, который приводил в движение механизм, опускался неравномерно: под воздействием силы тяжести его скорость постепенно возрастала.
Эту проблему удалось решить с помощью остроумного изобретения — часового спуска.
Он состоял из зубчатого колеса, анкера и маятника. Анкер одним концом цеплялся за колесо и раскачивался под действием маятника. Так появились знакомые всем нам звуки «тик-так», обозначающие интервалы времени, которым подчиняется жизнь большинства людей.
Изображенный на рисунке спусковой механизм позволял отмерять время намного точнее. При равномерном вращении колеса палета поочередно наклоняется то в одну, то в другую сторону. При каждом колебании она сдвигает спусковое колесо на один зуб, задавая ритм работы всего часового механизма.
Однако требовалось решить другую серьезную задачу: темп времени, отсчитываемый часами, должен был оставаться неизменным. Проблема заключалась в том, что первые отмеряемые часы были длиннее последних, то есть по мере того, как веревка подходила к концу, часы начинали спешить. Причина этого состояла в том, что маятники при движении описывали дугу окружности. Понять суть этой проблемы очень просто: достаточно бросить шарик внутрь полусферы и понаблюдать за его траекторией. Вы увидите, как размах колебаний шарика будет постепенно сокращаться, пока он не остановится (как если бы в часах кончилась веревка). Очевидно, что чем меньше высота, с которой падает шарик, тем меньше времени ему потребуется, чтобы достичь центра полусферы (именно поэтому часы спешат). Часовые мастера того времени задавались вопросом: существует ли кривая, в которой угол наклона и расстояние до основания связаны так, что скорость падения и пройденный путь компенсируют друг друга? Для этой кривой время, за которое шарик достигнет ее нижней точки, не зависит от того, с какой высоты он падает, поэтому еще до своего открытия эта кривая получила название таутохроны, что означает по-гречески «равное время».
* * *
ЛЮБОПЫТНАЯ ИГРА
Представьте, что мы перевернули циклоиду и придали ей вращательное движение. Мы получим поверхность, образующей которой является циклоида. Это равносильно тому, как если бы мы попросили гончара изготовить чашку, форму которой определяла бы циклоида. Такие чашки, сделанные из пластика, продавали в 60-е годы в магазинах любопытных вещиц в США. Чем же примечательна подобная чашка? Если мы положим внутрь нее шарик и отпустим его, он достигнет дна за одно и то же время вне зависимости от того, с какой высоты будет скатываться. Интересно понаблюдать, как два шарика, один из которых расположен на самом краю чашки, а второй — на полпути ко дну, достигают дна одновременно.
* * *
В 1673 году Христиан Гюйгенс доказал, что циклоида является таутохронной кривой и определяется как траектория, описываемая точкой окружности при качении этой окружности вдоль прямой без проскальзывания.
На рисунке показано, как при вращении окружности образуется циклоида.
Гюйгенс понял, что если маятник будет двигаться по циклоиде, то высота, с которой он будет опускаться при колебаниях, перестанет иметь значение. Подобно шарику, скатывающемуся в чашке, маятник всегда будет достигать нижней точки за одинаковое время.
Но как добиться именно такого движения маятника? Решить эту задачу помогло одно из наиболее удивительных свойств циклоиды: эволюта циклоиды также является циклоидой. Понятие эволюты слишком сложно, чтобы объяснить его здесь, но понять его геометрический смысл нетрудно. Допустим, что мы разделили циклоиду пополам и соединили ее половины в вершине А, как показано на рисунке.
Если мы возьмем нить заданной заданной длины, закрепим ее конец в точке А и вытянем ее так, что она всегда будет опираться на одну из ветвей циклоиды, то конец этой нити опишет кривую, которая также будет циклоидой. Гюйгенс нашел способ изготовить маятник с незатухающими колебаниями, которые были ограничены двумя ветвями циклоиды. Схема этого маятника приведена на рисунке выше.
Хотя время нельзя считать физической величиной, подобно массе или температуре, его можно измерить, и изобретение Гюйгенса позволило в повседневной жизни считать время дискретным.
Ритм нашей жизни по-прежнему определяют звуки «тик-так», отмеряющие дискретные промежутки времени. Однако в научном мире интервал между «тик» и «так» удивительным образом сокращался. Говоря простым языком, он в бесконечное число раз меньше секунды. Современные атомные часы отмеряют промежутки времени в 1/9192631770 секунды. Насколько же дискретны эти часы!
Дискретное состоит из элементов, отдельных единиц. А непрерывное? Кажется логичным считать, что непрерывное не может иметь подобной структуры, так как единичные элементы можно разделить, а между двумя соприкасающимися элементами не может находиться ничего — если бы там что-то находилось, его также можно было бы разделить на части. Если мы поразмыслим над этим хотя бы немного, то увидим, что понятие бесконечно малой величины вплотную подводит нас к понятию непрерывности. Размышления о природе непрерывного занимали важное место в греческой философии, одним из самых заметных представителей которой был Зенон. В своих известных парадоксах он продемонстрировал непрочность любой теории, в которой использовались бесконечно большие или бесконечно малые величины.
