Архив рубрики: Самый большой аквариум

Идеи и эпохи

Науке противопоказаны преждевременные замыслы, не опирающиеся на добытое знание и технику. У под­линных ученых они если и возникают, то случайно, и за­метной роли не играют.

По этой причине Галилей не задумывался над такой премудростью, как сущность пространства и времени. Ему вполне хватало хлопот со счетом «мокрых секунд» и катанием шаров по желобу, измеренному в локтях. Знаменитый итальянец не имел даже приличных лабо­раторных часов. Телескоп же, показавший людям дали мирового пространства, был только-только изобретен (кстати, при участии Галилея).

Ньютон, его ближайшие предшественники и современ­ники получили от техники неплохие часы и довольно точные угломерные астрономические инструменты. Измерениям стали доступны интервалы в доли секунды и громады космических расстояний. Вот тогда-то у ученых и возник вопрос: «А что же, достопочтенные коллеги, мы все-таки измеряем? Какова сущность того, что именует­ся пространством и временем?»

Из уст Ньютона прозвучал ответ — самый простой, самый удобный для работы. Для физики не имело ника­кого значения, что гениальный физик вложил в понятия абсолютных времени и пространства мистический смысл. Наука использовала их только в качестве мысленной инерциальной системы отсчета — единственно возможной в ту пору. И не оставляла попыток отыскать им реаль­ную, физическую опору.

Прошло несколько десятилетий — и нашлись факты, которые обещали исполнение этого закономерного жела­ния ученых.

Надежду открыло развитие науки о светеоптики.

Однако, как вы скоро увидите, в конце концов оно опрокинуло эту надежду и поставило ученых в весьма затруднительное положение.

Часы Вселенной

Вешая свои часы на комнатный аквариум (чтобы со­ставить протокол поведения золотой рыбки), я нисколь­ко не заботился обо всех остальных часах Вселенной. Мне было решительно все равно, годятся или не годятся мои скромные потертые часики, скажем, для составле­ния расписания восходов и заходов спутников Марса.

Но вот аквариум увеличен до сверхкосмических раз­меров. Он стал почтенной фигурой — остовом абсолют­ного ньютоновского пространства. А как же часы, кото­рые на нем висели, когда он был маленький? Неужели они не изменились?

Изменились.

Раньше они показывали наше московское или, иначе говоря, местное, обыденное время; оно было воспроизве­дено колебанием маятников или пружинок, текло в ритме вращения Земли, поставлено по московскому поясу. Оно отсчитывало земные годы, сутки, минуты, секунды, не имевшие, вообще говоря, никакого отношения к сут­кам Сатурна и годам Нептуна.

Теперь же часы, висящие на «всемирном аквариуме», показывают, как того требует ньютоновское определе­ние, «абсолютное, истинное, математическое время», которое «само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно».

Как видите, все сказанное Ньютоном об абсолютном пространстве относится и к абсолютному времени. Оно объявлено «математическим» и обязано течь «само по себе». Это значит, оно никак не зависит от моих или ваших часов, от колебания маятников, пружин и от прочих физических явлений. Колебания маятников, или пружинок, или даже самих атомов для всемирных ча­сов— события «внешние», не затрагивающие их без­укоризненно равномерного хода.

Понятно, почему Ньютон выставил столь жесткое тре­бование: если бы на всемирное время влияли физические процессы, то оно не было бы всюду одинаковым, повсе­местно равномерным, и его не удалось бы так просто вставлять в уравнения механики. Где-то усилилась тя­жесть (хотя бы над кладом золота) —маятник колеблет­ся чаще, маятниковые часы спешат. Это, понятно, можно учесть, можно поправить ход или использовать пружин­ные часы, на которые тяжесть не действует. Но и пру­жинные часы не без греха. Чуть ослабла пружина — меняют ход. Не спасают положения и тщательно обере­гаемые эталоны времени — скажем, маятники строго выверенной длины, раскачивающиеся под стеклянным колпаком над определенным местом, или даже колеба­ния молекул и атомов: никто не может поручиться, что всюду в мире они останутся неизменными. Для проверки ведь надо сверять показания часов сигналами, а сигна­лы— тоже явление физическое, подверженное бесчислен­ным физическим же влияниям.

От всех этих осложнений Ньютон освободился еди­ным махом, объявив всемирное абсолютное время не физическим, а математическим.

Но только я вот не знаю, какую бы метаморфозу совершить со своими часиками, чтобы они стали неза­висимы от физики. Их надо сделать бестелесными, нема­териальными. Единственный выход — послать их в за­гробный мир, а оттуда вернуть и повесить на всемирный аквариум. Тогда будет все в порядке: несуществующий идеально незыблемый остов мира украсится извлечен­ными из небытия нематериальными часами, показываю­щими очищенное от физики абсолютное математическое время.

Пользуясь понятиями абсолютного пространства и идеального математического времени, можно наконец целиком сформулировать требования к «чистой» миро­вой инерциальной системе отсчета. Она должна быть либо тем самым «аквариумом», стоящим на «неподвиж­ных» звездах и украшенным «загробными» часами, либо (в силу закона инерции) каким угодно другим подобным «аквариумом» и часами, разъезжающими относительно первого в любую сторону прямолинейно и равномерно. Причем равномерность движения должна гарантиро­ваться отсчетами всех часов таких систем. Все часы обя­заны идти совершенно одинаково.

Для Ньютона пространство и время, благодаря на­вязанной им абсолютности, были чем-то надфизичным, нематериальным.

Очень характерная подробность. Гениальный Ньютон, верный сын своей эпохи, был искренне религиозным че­ловеком, даже богословом. И поэтому он считал, что абсолютное пространство и время есть сам господь бог. Ни больше ни меньше!

Короче говоря, сегодня основа ньютоновского мира выглядит очень уж искусственной, даже нелепой.

Но иначе быть не могло.

Всемирный аквариум

Еще раз. В домашнем аквариуме его местное про­странство прыгает, летает, кружит в бесчисленных дви­жениях и поэтому совсем не годится для небесной ме­ханики. Как же превратить его в абсолютное простран­ство?

Испробуем такой способ: увеличим аквариум до бес­конечно огромной величины, поставим его на «неподвиж­ные» звезды и вместо рыб впустим в него Землю, Луну, Солнце со всеми остальными планетами, а также асте­роиды, кометы, метеориты и прочие движущиеся небес­ные тела.

Вообразим еще, что этот бесконечно большой аква­риум бесконечно прочен, неизменен и неподвижен. И креп­ко-накрепко «привяжем» к нему систему отсчета рассто­яний (от дна и двух смежных стенок, помните?). Вот и готова основа самой главной инерциальной системы от­счета — ньютоновское абсолютное пространство. Соглас­но определению Ньютона, оно «по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остает­ся всегда одинаковым и неподвижным».

Абсолютное пространство — костяк ньютоновского мира. Сверхжесткий вселенский остов, который не ве­дает никаких перемен, никаких потрясений. Пусть в нем хоть звезды взрываются — он этого не чувствует. Абсо­лютное пространство никогда не шелохнется, не даст ни складочки, ни трещинки. Оно такое идеальное, что в нем, по существу, нет ничего физического — сплошная мате­матика, голая геометрия, причем наиболее простая — геометрия прямых линий, плоскостей и объемов, та са­мая, что от Евклида и Пифагора перекочевала в совре­менные школьные программы.

В этом «всемирном аквариуме» пути движений будут запротоколированы уже не сугубо местные, а «истин­ные»— абсолютные. Луна в нем станет двигаться не относительно Земли или Солнца, а относительно абсолют­ного ньютоновского пространства. В нем, «настоящем», незыблемом, полетит и падающий камень, и тележка с русской горки. И именно в нем будут безоговорочно справедливы формулы небесной механики: все три дина­мических закона Ньютона, закон тяготения и их бесчис­ленные следствия. Там, в абсолютном пространстве, механика будет действовать в чистом виде, без всяких досадных, до конца практически не исполнимых попра­вок на местные движения, на силы инерции.

Очень хорошо. Некоторое сомнение вносится, правда, тем, что столь важное понятие, как абсолютное простран­ство, у нас введено каким-то шутовским трюком — с по­мощью фантастически огромного всемирного аквариума.

Нельзя ли привязать это пространство к чему-нибудь более реальному, действительно существующему?

Подождите. Ради обоснования мира Ньютона надо придумать еще что-то небывалое, потому что и в полной мировой системе отсчета пространственные измерения должны сочетаться с измерениями времени.

Рыбья жизнь

В аквариуме плавает рыбка. Где бы она ни находи­лась, ее положение я могу определить тремя отсчетами (координатами) — расстоянием до дна и двух смежных стенок. Я повесил на аквариум свои часы — и отсчеты пространства дополнились отсчетами времени. Теперь я сумею описать четырьмя числами любое событие из рыбьей жизни. Три числа отметят точку пространства, а четвертое — момент события. Вместе они дадут пол­ную классическую пространственно-временную систему отсчета.

Вот, к примеру, пространственно-временной протокол двух секунд рыбьего поведения.

Отсчет № 1. Ровно в пять часов утра рыбка по­завтракала— проглотила циклопа. Это произошло в 18 сантиметрах от дна, в 20 сантиметрах от левой боковой и в 8 сантиметрах от задней стенок аквариума.

Отсчет № 2. В пять часов одну секунду рыбка вильнула хвостом в 16 сантиметрах от дна, 5 и 15 санти­метрах от тех же стенок.

Отсчет № 3. В пять часов две секунды рыбка пу­стила пузырь в 21 сантиметре от дна и т. д.

Этим протоколом описано движение рыбки в про­странстве и времени.

Но в каком пространстве и в каком времени? То ли это пространство, в котором кружит Луна или плывет по своей далекой орбите Юпитер?

К аквариуму «привязана» собственная маленькая си­стема отсчета. Она, как правило, неинерциальна. Путь рыбки в своем протоколе отнесен только к аквариуму, к его стенкам и дну. Такое пространство Ньютон назвал бы местным.

То же самое — со временем. Время в протоколе за­фиксировано не какое-то всеобщее, а «мое», отсчиты­ваемое моими часами.

Как «в действительности» движется рыбка, из про­токола заключить невозможно. Ибо аквариум сам дви­жется: он стоит на Земле, а Земля вращается вокруг своей оси, да еще обегает вокруг Солнца, да еще вместе с Солнцем летит в направлении к созвездию Гончих Псов (это установили астрономы). К тому же наш аквариум может находиться в вагоне идущего поезда, или на плы­вущем корабле, или в летящем самолете. Сколько тут складывается движений, совмещается сил инерции! По­пробуй-ка учти их все вместе!

Словом, запротоколированные нами движения — явле­ния сугубо местные, частные. Ньютон называл их обы­денными.

Приложить их ко всему мирозданию практически не­возможно.

Разумеется, такое положение дел не устраивало ве­ликого физика. Он хотел найти «настоящие» движения, безотносительные к какому-то заведомо не неподвижно­му предмету.

Такие «подлинные» движения ученый назвал абсо­лютными. И пространство, относительно которого они происходят, тоже получило имя «абсолютного пространства».

Это и есть ньютоновская «сцена» Вселенной.

В чем зреет яблоко

Я рассказываю своему собеседнику что-то вроде сказки.

В саду,— говорю я,— стоит яблоня. На яблоне ви­сит яблоко. Погода хорошая — ни ветерка. Спрашивает­ся: в чем это яблоко движется?

— Ни в чем оно не движется,— отвечает мой сооб­разительный девятиклассник.— Оно неподвижно.

 - Ты не прав,— терпеливо говорю я.— Допустим, оно неподвижно в пространстве. Но оно зреет, нали­вается соком, в нем про­исходят перемены. Это значит, что оно движется во времени. Текут минуты, часы — и яблоко краснеет, становится слаще и аро­матнее. Согласен?

Он согласен, потому что с этим трудно спо­рить. Конечно же, непо­движное яблоко с течени­ем времени меняется. Все вокруг существует не только в пространстве, но и во времени. И если на висящем яблоке это было заметно не сразу, то как только оно сорвалось с ветки и стало падать, как только началось движение — роль времени предстала ярко и выпукло. Ведь расстояние, деленное на время, есть ско­рость, а расстояние, дважды деленное на время,— уско­рение.

Пространство дает расположение событий в мире, время же — их последовательность, их развитие. Вре­мя— это тоже форма движения материи, как и прост­ранство. И физик наполняет понятие времени своим, при­сущим физике, содержанием.

В отличие от пространства, время отсчитывается од­ним измерением — длительностью. Оно одномерно. Но опять-таки признание только этого факта для физика недостаточно. Нужно еще знать, везде ли время течет одинаково быстро, остается ли его темп неизменным, зависит ли он от каких-либо физических причин.

В частности, объявить систему отсчета инерциальной мы вправе лишь тогда, когда уверены, что она по­коится либо движется равномерно в равномерно теку­щем времени. А есть у нас такая уверенность?

Заданы серьезные вопросы. Искать ответы будем по­степенно. И, обещаю, придем к новым удивлениям, но­вым поразительным выводам о физике нашего мира.

Сцена мироздания

Продолжая тему, начатую в третьей главе («Что такое движение»), я разго­вариваю с одним девятиклассником о движении и си­стемах отсчета. Задаю ему вопросы:

 - В чем падают камни и пушинки?

 - В воздухе.

 - А если убрать воздух?

 - В пустоте.

 - А что такое пустота?

 - Пустота — это то, что остается, если убрать воздух.

 - Откуда убрать?

Мой собеседник запинается, морщит лоб, потом го­ворит:

 - Ну, из какого-нибудь места. Отовсюду-то не убе­решь...

 - Отлично! — говорю я.— Очень хорошо, что ты сказал «место». Объясни-ка мне теперь, что такое место.

Девятиклассник молчит. Он не знает, что такое ме­сто. А вы знаете?

Место — это часть пространства. Все, что происхо­дит, происходит где-то, в каком-то месте, в какой-то части пространства. Ну вот, теперь надо объяснять, что такое пространство.

Пока скажем очень неопределенно: пространство — вроде сцены, на которой разворачиваются все события, процессы, явления нашего мира. Вне сцены нет спектакля. Вне пространства вообще ничего нет.

Теперь — серьезнее.

Философы-материалисты говорят: пространство есть форма движения материи. Соглашаясь с этим положе­нием, физики прилагают его к своей науке. Для физика важно физическое и, в частности, механическое движе­ние. А его изучение, его отсчет возможны только пото­му, что в нашем мире существует то, что мы называем расстояниями. Расстояния — это основа физического пространства. И чтобы измерять их, отсчитывать с их помощью механическое движение, строятся простран­ственные системы отсчета...

Когда шел разговор о падении камней, размахах маятника, обращении планет, то всегда явно или не­явно учитывалась система пространственного отсчета этих событий. Они обязательно происходили где-то, на каких-то расстояниях от чего-то вполне конкретного: скажем, от пола, от Солнца, от Луны. Отсчеты расстоя­ний вошли во все формулы механики и теории тяготе­ния. Они-то и наполнили широкое философское пред­ставление пространства четким числовым содержанием, необходимым физику.

Пространство трехмерно. В системе отсчета оно вы­ражается тремя взаимно перпендикулярными измере­ниями— длиной, шириной и высотой. Это определило форму всех уравнений механики.

Однако фактом трехмерности не исчерпываются све­дения о пространстве, которыми хочет располагать физик. «Устройство» пространства надо знать глубже.

Разгадывая «сценарий» космического действия, в ко­тором актерами выступают атомы и звезды, Ньютон точно разметил места для событий всемирного спектак­ля. Никакой режиссер не будет объяснять актерам, куда идти и где стоять, если он не знает устройства сцены. Ведь в разных театрах сцены разные — прямые и изогнутые, с жесткими и гнущимися половицами, с вращающимся и неподвижным полом и т. д. Поэтому и Ньютон, этот режиссер мироздания, должен был что-то знать или хотя бы предполагать о «сцене» Вселенной — безграничном мировом трехмерном пространстве. Ска­жем, везде ли оно одинаково, изменяется ли с течением времени, движется ли как-нибудь?

Видимо, если пространство вращается (подобно вра­щающейся театральной сцене) или как-то ускоряется, сжимается, расширяется, все тела в нем подвержены силам инерции — летящие свободно копья сворачивают с прямого пути, ускоряются. Подобное пространство мож­но было бы «привязать» к неинерциальной системе от­счета.

Но в реальном мировом пространстве Ньютона сво­бодно брошенные тела, не подверженные действию сил, не ускоряются и не сворачивают с прямого пути.

Резонно допустить, что реальное пространство «при­вязано» к инерциальной системе отсчета. Той, что либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.