Так движется ли в самом деле книга или покоится? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Ответ зависит от точки отсчета. Если мы примем точку зрения путешественника, то книга находится в покое. Если будем рассматривать ситуацию с точки зрения стоящего на берегу, то книга, конечно, движется.
Таким образом, из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейно и равномерно – нет принципиальной разницы. Тот же путешественник, находящийся в закрытой каюте корабля, движущегося по спокойному морю, не замечает никаких признаков этого движения. Мухи свободно летают по всей каюте. А если мячик подбросить вертикально, то он упадет прямо вниз, не стремясь свалиться поближе к корме. Надоедливого же шума мотора во времена Галилея не знали – паруса работали бесшумно…
Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, как помните: движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить. Очень образно этот парадокс описал А. С. Пушкин:
Тот же Галилей определил и силу, которая объединяет тела, находящиеся в абсолютном и относительном покое, – это сила инерции. Она никак не проявляет себя, пока тело действительно покоится или находится в равномерном прямолинейном движении. Но стоит лишь чуть притормозить его или заставить двигаться криволинейно, как тотчас начинает проявлять себя ускорение. Мы по инерции, т. е. за счет ее силы, как бы стараемся восстановить утраченный покой.
С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, введенными его предшественником, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело.
Однако чтобы сделать эту связь полностью определенной, чтобы от слов перейти к формулам, Исааку Ньютону пришлось ввести новое понятие – массу. Тогда и родился знаменитый закон:
Его называют вторым законом Ньютона. Первым же считается закон инерции, который по справедливости надо бы считать законом Галилея, Ньютон лишь уточнил его формулировку. И наконец, третий закон утверждает равенство действия и противодействия.
Итак, три этих закона навели порядок в нашем представлении об окружающем мире. Однако Ньютон на том не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Такой силой оказалось гравитационное воздействие, производимое введенной им массой тела: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Причем закон одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте – камню на Земле или планете во Вселенной.
Так родилась классическая механика Ньютона – Галилея, с помощью которой удалось объяснить до мельчайших деталей движение планет, явление океанских приливов, вызываемое тяготением Луны, движение камня, брошенного под углом к земному горизонту, и вращение искусственного спутника.
Однако, чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия без пространства.
Измерять время, конечно, хотелось бы идеально точными часами, ход которых не зависел бы от происходящих вокруг событий. Такие ритмично идущие часы называют инерциальными, так как их показания не зависят от того, действительно ли они находятся в покое или все участвуют в движении – прямолинейном и равномерном. Помните, мы говорили о путешественнике, который по опыту, проведенному в закрытой каюте, не может определить, движется он или находится в покое. Так и по инерциальным часам, находящимся в этой каюте, нельзя выявить какие-либо отклонения по отношению к часам, идущим на берегу. Все инерциальные часы показывают некое абсолютное время, ход которого всегда одинаков для всей Вселенной.
Это понятие абсолютного времени, введенное в механику Галилея – Ньютона в качестве аксиомы, стало краеугольным камнем фундамента, на котором покоится здание классической физики. «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Такое определение ему Ньютон дает в самом начале своих знаменитых «Начал», отделяя его от того времени, которое показывают реальные часы с их отнюдь не идеальной точностью. Об этом времени Ньютон говорит с легким налетом иронии, наделяя его эпитетом «обыденное».
Вообще И. Ньютон был не очень высокого мнения о творении Господа Бога. (Хотя не забывайте, что великий физик был глубоко верующим человеком, за ним значатся и труды в области теологии.) Но это, впрочем, не мешало ему оставаться критичным, строго придерживаться фактов, когда дело касалось не потустороннего, а реального, физического мира.
«Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, – писал он, – которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени измениться не' может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет».
' Но зачем тогда Ньютону понадобилось понятие абсолютного времени, которое повлекло за собой и понятие абсолютного пространства, то есть не имеющего границ, всюду и везде одинакового по своим свойствам, вмещающего в себя все природные тела и дающего место всем природным явлениям?.. Для удобства решения задач той же практики.
Как писал в одной из своих статей Альберт Эйнштейн, «цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: „Существует ли простое правило для полного вычисления движений небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определенный момент времени?“ И Ньютон дал простой ответ на этот вопрос. Но для этого ему пришлось абстрагироваться от всего случайного и мелочного, то есть от реальности перейти к идеалу, иначе он попросту бы запутался в мелочности реальных поправок. И его теория верой и правдой служила практике многие десятки лет, пока не появилась теория относительности.
«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки… Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов… В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера… Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке».
Отдав этими словами должное своему предшественнику, «этому блестящему гению», А. Эйнштейн тем не менее принялся перекраивать Вселенную по своему разумению. Говорят, он удивил своих собеседников, признавшись однажды, что никогда не понимал понятия «абсолютное время». Конечно, это была шутка в стиле Эйнштейна – он знал и об абсолютном времени, и об абсолютном пространстве классической физики достаточно много. Столько, чтобы понять несовершенство механики Ньютона – Галилея.