Тільки подумайте, яким революційним був здогад Ньютона! Він не лише перекреслив попередні уявлення, але й указав шлях до відкриття безлічі сил, які постійно діють на нас, утім залишаються при цьому невидимими, — наприклад, сила тертя, гравітація, а також магнітні й електричні сили. Внесок Ньютона такий вагомий, що на його честь було названо фізичну одиницю сили. Ньютон не лише допоміг нам «побачити» ці приховані сили, а й показав, як їх можна виміряти.
Своїм другим законом він дав нам надзвичайно просте, але потужне керівництво для обчислення сил. Другий закон Ньютона, знамените рівняння F = ma, дехто вважає найважливішим у фізиці. Або якщо сформулювати словесно: рівнодійна сила F, що діє на тіло, дорівнює добутку маси тіла m і фактичного прискорення a, якого набуває тіло.
Одним із численних прикладів того, яке значення має ця формула в нашому повсякденні, є рентгенівський апарат. Дуже важливо, щоб цей пристрій точно визначав діапазон енергій випромінювання. У цьому нам допомагає рівняння Ньютона.
Одним з важливих фізичних відкриттів (його ми більш докладно розглянемо пізніше) є те, що заряджена частинка, наприклад електрон, протон чи іон, яка міститься в електричному полі, зазнає впливу певної сили. Знаючи заряд частинки та напруженість електричного поля, ми можемо обчислити електричну силу, що діє на неї. А знаючи силу, ми можемо за допомогою другого закону Ньютона визначити прискорення частинки5.
У рентгенівському апараті прискорені електрони в рентгенівській трубці спрямовуються на анод. Від швидкості, з якою вони вдаряються, залежить енергія випромінювання, що виникає внаслідок цього. Змінюючи напруженість електричного поля, ми можемо змінити прискорення електронів. Таким чином можна регулювати швидкість, з якою електрони вдаряються об анод, щоб отримати рентгенівські промені потрібної енергії.
Щоб полегшити подібні обчислення, у фізиці як одиницю сили використовують ньютон (Н): 1 ньютон — це сила, що надає тілу масою 1 кілограм прискорення 1 метр на секунду у квадраті. Чому ми кажемо «на секунду у квадраті»? Бо якщо є прискорення, швидкість постійно змінюється: іншими словами, після першої секунди вона не припиняє зростати. Якщо прискорення постійне, швидкість щосекунди змінюється на однакову величину.
Щоб краще зрозуміти це, уявіть кулю для боулінгу, скинуту з багатоповерхівки на Мангеттені, скажімо, з оглядового майданчика Емпайр-стейт-білдинг? Відомо, що тіла падають на Землю із прискоренням приблизно 9,8 метра на секунду у квадраті. Воно має назву прискорення вільного падіння і позначається літерою g. (Для простоти я поки що нехтую опором повітря; більше про це згодом). Після першої секунди куля летить зі швидкістю 9,8 метра за секунду. На кінець другої секунди вона прискориться ще на 9,8 метра на секунду і тепер падатиме зі швидкістю 19,6 метра за секунду. А на кінець третьої секунди вона рухатиметься зі швидкістю 29,4 метра за секунду. До Землі куля долетить приблизно за 8 секунд. Її орієнтовна швидкість на той момент складатиме 8 · 9,8, тобто приблизно 78 метрів за секунду (трохи більше 280 кілометрів за годину).
А як щодо поширеного міфу про те, що коли кинути монетку з даху Емпайр-стейт-білдинг, то нею можна когось убити? Я знову-таки знехтую опором повітря, хоча його роль у цьому випадку була б значною. Але навіть якщо його не враховувати, монетка, що впаде на вас зі швидкістю 280 кілометрів за годину, навряд чи вас уб’є.
Тут доречно спробувати розібратися з питанням, яке неодноразово порушуватиметься далі в книжці, оскільки воно знову й знову постає у фізиці. Це різниця між масою і вагою. Зверніть увагу, що Ньютон використовує у своєму рівнянні масу, а не вагу, і хоча ви можете думати, що це одне й те саме, насправді це зовсім різні поняття. Зазвичай ми використовуємо кілограм як одиницю ваги, але фактично це одиниця маси.
Різниця між ними проста. Ваша маса буде однакова будь-де у Всесвіті. Саме так — на Місяці, в космосі чи на поверхні астероїда. Різною буде не маса, а вага. То що таке вага? Тут уже все трохи складніше. Вага — це результат гравітаційного притягання. Вага — це сила: маса, помножена на прискорення вільного падіння (F = mg). Отже, наша вага змінюватиметься залежно від сили тяжіння, що діє на нас, тому астронавти на Місяці важать менше. Гравітація на Місяці приблизно в шість разів менша, ніж на Землі, тому вага астронавтів буде приблизно в шість разів менша.