Розділ 3
Тіла в русі
Спробуйте одну цікаву штуку. Станьте на підлогові ваги — не на ті новомодні, що стоять у кабінеті вашого лікаря, і не на один з тих скляних цифрових пристроїв, який вмикається від дотику ногою, — а на звичайні підлогові ваги. Байдуже, босоніж ви чи у взутті (вам не потрібно справляти на когось враження), і не суттєво, яку цифру ви бачите і чи подобається вона вам. А тепер швиденько станьте навшпиньки і затримайтеся в цьому положенні. Ви побачите, що ваги неначе сказилися. Можливо, щоб зрозуміти, що відбувається, вам доведеться повторити ці рухи, бо все змінюється із блискавичною швидкістю.
Спершу стрілка рухається вгору, правильно? Потім вона повертається до показника вашої ваги, того, поки ви стояли нерухомо, втім, на деяких вагах стрілка (чи цифри на панелі) ще може трохи похитатися, перш ніж зупинитися. Далі, коли ви опуститеся на п’яти, особливо якщо ви зробите це швидко, стрілка спершу піде вниз, потім злетить вище позначки вашої ваги і повернеться, щоб зупинитися на цифрі, яку ви хотіли або не хотіли знати. У чому річ? Урешті-решт, від того, чи ви підніметеся навшпиньки, чи опуститеся на п’яти, ваша вага не зміниться. Або, може, зміниться?
Щоб з’ясувати це, нам потрібна, хоч вірте, хоч ні, допомога сера Ісаака Ньютона, мого претендента на звання найвизначнішого фізика всіх часів. Деякі мої колеги не погоджуються із цим, і ви, звісно, можете навести переконливі аргументи на користь Альберта Ейнштейна, але ніхто не сумнівається, що вони обидва найкращі. Чому я голосую за Ньютона? Бо його відкриття фундаментальні й водночас такі різноманітні. Він вивчав природу світла і розвинув теорію кольору. Щоб досліджувати рух планет, він сконструював перший рефлекторний телескоп, на якому замість лінз, що використовували тоді в телескопах-рефракторах, було встановлено дзеркало. Це стало величезним кроком уперед, і навіть сьогодні майже всі телескопи побудовано за тими само базовими принципами. Вивчаючи особливості руху рідин, він започаткував один з основних розділів фізики; йому вдалося обчислити швидкість звуку (він помилився лише десь на 15 відсотків). Ньютон навіть заклав початки цілого розділу математики — математичний аналіз. На щастя, нам не доведеться вдаватися до обчислень, щоб оцінити його найдовершеніші досягнення, які отримали назву законів Ньютона. Сподіваюся, що в цьому розділі мені вдасться показати значущість цих начебто простих законів.
Закони руху Ньютона
За першим законом Ньютона, тіло, яке перебуває в стані спокою, зберігає його, а тіло, що рухається, не припинятиме руху в тому самому напрямку з незмінною швидкістю, якщо — в обох випадках — на нього не діятиме інша сила. Або словами самого Ньютона: «Тіло зберігає стан спокою чи рівномірного прямолінійного руху, поки його не виводять із цього стану прикладені до нього сили». Це закон інерції.
Концепція інерції нам знайома, але якщо замислитися, стане зрозуміло, що вона насправді нелогічна. Ми приймаємо цей закон на віру, хоч він явно суперечить нашому повсякденному досвіду. Врешті-решт, тіла рідко рухаються вздовж прямої лінії. І, безумовно, їхній рух зазвичай не триває нескінченно. Ми очікуємо, що в певний момент вони зупиняться. Гравцю в гольф ніколи б не спав на думку закон інерції, адже м’яч після удару рідко коли летить по прямій і часто зупиняється, не докотившись до лунки. Логічною була і досі залишається інша думка — тіла прагнуть до стану спокою, що панувала в європейській науці кілька тисячоліть, аж до революційного відкриття Ньютона.
Ньютон поставив наше розуміння руху з ніг на голову, пояснивши, що м’ячик для гольфу часто не докочується до лунки, бо його сповільнює сила тертя, а Місяць, замість мчати далі в космос, обертається навколо Землі, бо його утримує на орбіті сила гравітаційного притягання.
Щоб виразніше уявити дію інерції, пригадайте, як під час катання на ковзанах складно повернути в кінці ковзанки: ваше тіло хоче й далі рухатися прямо, і потрібно розрахувати, яку силу застосувати до ковзанів і за якого кута нахилу, щоб змінити напрямок руху, не гепнувшись і не врізавшись у бортик. Або якщо ви катаєтесь на лижах, пригадайте, як буває непросто швидко змінити напрямок руху, щоб не зіткнутися з іншим лижником, який мчить вам напереріз. У таких ситуаціях ми помічаємо інерцію значно краще, ніж зазвичай, тому що в обох випадках сила тертя, яка нас сповільнює і допомагає змінювати напрямок руху, дуже незначна. Якби рівна поверхня навколо лунки на полі для гольфу була вкрита кригою, ви одразу помітили б, як м’ячик котиться все далі й далі.