Глава 1
ОБРАТНАЯ СТОРОНА ВСЕЛЕННОЙ
1.4 Обманчивая неподвижность
В своё время учёных сильно удивил и продолжает удивлять беспорядок в микромире. Хотя гораздо более загадочный именно Порядок. Даже в обыденной жизни легче создать бардак, например, на письменном столе. Его и создавать не нужно. Если не прилагать никаких усилий, не выбрасывать ненужных черновиков, утративших свою актуальность бумаг, забывать ставить книги на полку, то письменный стол скоро превратиться в жуткое нагромождение всего. Кто-то называет это творческим беспорядком. В любом случае, труднее следить за порядком, нежели позволять хаосу завоевывать пространство.
Почему нас удивляет беспорядок в микромире, а не всеобщий Порядок, царящий во Вселенной? Ведь его, как и порядок на письменном столе, нужно поддерживать. Он не может возникнуть просто так, из ничего. Должно быть нечто, создающее его, должна быть сила вселенского масштаба, заставляющая атомы, звёзды, галактики подчиняться одним и тем же законам.
Давайте ещё раз подумаем над тем, что мы имеем в виду, говоря о Порядке в мире. Смысл Порядка в том, что во всех уголках космоса действуют одни и те же законы, прежде всего физики и математики. Мы можем предсказать, когда приблизится к Земле комета, когда планеты выстроятся в ряд, когда наступит очередное затмение Солнца и многое другое. Благодаря Порядку мы можем исследовать процессы, происходящие в недрах далёких звёзд, изучать вообще Вселенную. Благодаря глобальному Порядку мир сохраняет свою целостность. Это всё возможно благодаря тому, что везде действуют одни и те же законы. Если бы законы природы менялись от одной области Вселенной к другой непредсказуемым образом, мы в принципе ничего не смогли бы описать. Наш мир был бы неким подобием микромира, где частицы могут отклоняться от своего пути без какой-либо причины, двигаться сразу по нескольким путям.
Однако наш мир не такой. В нём тела не отклоняются от своего пути, не двигаются одновременно по нескольким траекториям. У нас всё более-менее предсказуемо. И это потому, что нашим миром правит Порядок.
Может возникнуть путаница из-за того, что некоторые учёные путают причину со следствием. Они уверены, что именно законы природы есть причина всемирного Порядка. На самом деле, всё наоборот: именно Порядок создаёт возможность того, чтобы эти законы действовали. Порядок – это объективная реальность. А законы – средство для описания всеобщего Порядка, формулы, причём приближённые, созданные человеком. Это чем-то похоже на расписание движения автобусов и само движение машин. Расписание – не причина движения, а описание. Законы также – лишь описание всеобщего Порядка, но ни в коем случае не причина.
Теперь перейдём к некоторым важным формулам. Основные законы механики – уравнения классической механики Ньютона. Из них самым главным считается Первый закон Ньютона, или закон инерции, описывающий, как будет двигаться тело в отсутствии на него воздействий. Все остальные законы описывают перемещение объекта при наличии каких-то сил.
Как же движется тело, когда никакая сила на него не действует? Первый закон Ньютона утверждает, что при отсутствии сил тело либо покоится, либо движется по прямой линии с постоянной скоростью. Такое прямолинейное и равномерное перемещение называется свободным, или движением по инерции. А тело, на которое не действуют никакие силы, – свободно движущимся.
Когда мы изучаем движение тела, мы, естественно, рассматриваем его относительно чего-нибудь. Например, следя за летящим камнем или мчащейся по шоссе машиной, определяем их перемещения или по отношению к себе, или по отношению к неподвижным предметам, которые нас окружают: зданиям, деревьям, фонарным столбам… Мы невольно выбираем нечто для отсчёта движения. Без этого никак не обойтись, потому что в нашем мире нет движения абсолютного, а только относительное.
Но, изучая движение планет Солнечной системы, мы естественно, не рассматриваем их относительно предметов, окружающих нас на Земле – тех же зданий, деревьев, фонарных столбов. Потому что для космических тел все эти неподвижные для нас тела вращаются вместе с Землёй. Движение планет нужно рассматривать относительно чего-то другого, гораздо более неподвижного, чем здания и деревья. Например, Солнца.
Но ведь и Солнце движется относительно других звёзд! Чтобы описать перемещения нашего светила в астрономических масштабах, нужно найти нечто, более инерциальное (то есть более неподвижное), и относительно него уже всё описывать. Это может быть центр нашей Галактики. Все звёзды внутри неё, включая Солнце, вращаются вокруг центральной галактической точки.
Если пойти в наших рассуждениях дальше, то движение Галактики можно описать относительно центра скоплений галактик. И так далее.
Получается, движение одного тела мы рассматриваем относительно другого, “более неподвижного”. А есть ли во Вселенной нечто “самое инерциальное”, относительно которого можно рассматривать вообще любое движение?
В принципе, есть. Это – центр масс Вселенной, связанный с самыми далёкими галактиками. Нам не найти ничего более инерциального.
Но даже самые далёкие галактики нельзя считать неподвижными. Они мчатся с огромными скоростями – до сотен километров в секунду. А так как они находятся очень-очень далеко, то кажутся нам «зафиксированными».
Стоит отметить, что далёкие галактики составляют основную массу Вселенной. Те звёзды, которыми мы любуемся ночью, принадлежат нашей Галактике. Нам не увидеть другие светила невооружённым глазом, только через мощные телескопы. А звёзды нашей Галактики – лишь песчинки во вселенском океане. Основная масса находится очень далеко от нас.
Ещё раз напомним: чтобы описать любое движение, нужно выбрать неподвижное тело. Оно станет точкой отсчёта, с которой мы свяжем систему отсчёта.
Системы отсчёта бывают инерциальными и неинерциальными. Неинерциальные движутся с переменной скоростью. Такой системой отсчёта может служить автобус на ухабистой дороге, где нас бросает из стороны в сторону. Другой пример – вращающаяся карусель, в которой центробежные силы прижимают нас к краю.
В неинерциальных системах отсчёта НЕ ДЕЙСТВУЮТ законы классической механики. Поэтому описывать движение в них сложнее, чем в инерциальной системе отсчёта.
Вспомним формулировку инерциальной системы отсчёта. Это такая система отсчёта, которая либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно. В ней выполняются все законы классической механики, в том числе закон инерции. Именно относительно инерциальной системы отсчёта свободное тело либо покоится, либо движется по прямой линии и с постоянной скоростью.
Хотя, надо сказать, реально во Вселенной свободных тел нет. Любая вещь, где бы она ни находилась, испытывает действие гравитации. На Земле или где-то вблизи неё это силы притяжения нашей планеты. В пределах Солнечной системы – притяжение со стороны светила. Если же тело находится вдали от планетной системы, то будет, по крайней мере, притягиваться к центру Галактики. Любое тело всегда будет испытывать гравитационное воздействие. Поэтому Первый закон Ньютона в какой-то степени можно назвать “идеализированным”.