Татьяна Добрусина - Сверхновая американская фантастика, 1994 № 05
Подобные наблюдения заставили ранних философов и их последователей, вплоть до XVI века, считать, что и сама планета подвержена увяданию, разложению и медленному распаду. Удивительно, что она до сих пор не разрушилась, но европейские философы, по крайней мере, ожидают, что день Страшного суда уже близок, и всеобщий упадок предвещает этот день.
(Небесные же тела, несомненно, не подвергаются разрушению и изменению и продолжают вращаться вечно.) Их светила не гаснут, как земные костры. Их движение не замедляется. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) считал, что земля и небо созданы из совершенно разных материй и подчиняются разным законам природы.
Только в XVI веке ученые были в состоянии определить, что и Земля и вся вселенная подчиняются одним и тем же законам природы. Но в то время они еще не могли объяснить, что все сущее на Земле в некоторой степени не подвержено разрушению. Есть такие особенности материи, которые так же вечны и неизменны, как на Земле, так и на небе.
(В XVIII веке, если я не ошибаюсь, ученые обнаружили, что все тем не менее, подвержено увяданию и распаду, и не только на Земле, но и в каждой частице вселенной. Это разрушение, тем не менее, по форме более трудноуловимо, чем думали древние.)
Возьмем, к примеру, бильярдные шары. Я уверен, что в бильярд играли задолго до того, как Исаак Ньютон (1642–1727 гг.) в 1687 году открыл закон движения. В бильярд многие искусно играют и сегодня, при этом не имея представления, как формулируются законы движения. Тем не менее, они знают, как движутся бильярдные шары, что происходит, когда они сталкиваются друг с другом или с бортиком бильярдного стола.
Когда бильярдный шар ударяется о край стола, он отскакивает, двигаясь с первоначальной скоростью в противоположном направлении, в зависимости от угла толчка. (В действительности он теряет скорость из-за трения между шаром, поверхностью и бортиком стола, но потеря скорости очень мала и мы ее не замечаем.) Таким же образом, два бильярдных шара, двигающиеся с равной сторостью, сталкиваются в центре стола, отскакивают и разлетаются в разные стороны с той же самой скоростью, с которой стремились друг к другу. Подобные наблюдения показывают, что скорость движения бильярдных шаров не уменьшается, если не принимать во внимание трение. Мы могли бы сказать, что скорость сохраняется и в то же время не сохраняется. Но это правомерно только при определенных условиях, когда все бильярдные шары имеют равную массу.
Представим себе два бильярдных шара, один из которых имеет большую массу, стремящиеся друг к другу с равной скоростью. Оба шара отскочат друг от друга, но более легкий будет двигаться быстрее, чем более массивный, и если скорости после столкновения будут суммированы, окажется, что они не будут равняться сумме скоростей до столкновения. Скорость не сохраняется.
Английский математик Джон Уоллис (1616–1703 гг.) в 1668 году заметил, что мерой движения является не только быстрота движения или, точнее, «скорость» (v), но масса, умноженная на скорость (mv). Этот результат он назвал «движение» или по-латински «momentum».
Измерения показывают, что количество движения (в современной физике — импульс) сохраняется. Независимо от того, как бильярдные шары (или что-то другое) ударяются и отскакивают, количество движения после столкновения точно такое же, как до него (опять при условии, что мы не принимаем во внимание трение).
И, тем не менее, все не так просто, как кажется на первый взгляд. Бильярдные шары совершенно упруги и почти ничего не теряют во время столкновения и отскока. А теперь представьте, что вы имеете два бильярдных шара, стремящихся друг к другу и в момент столкновения превратившихся в глиняные. Теперь мы имеем совершенно неупругое столкновение. Глина деформируется, шары слипаются и не отскакивают друг от друга. Действительно, они остаются совершенно неподвижными. Оба шара имели движение, когда стремились друг к другу, и теперь, когда они находятся в состоянии покоя, движение отсутствует, Что же произошло, ведь количество движения должно сохраняться?
Скорость — «векторная величина». Это значит, что она характеризуется не только быстротой движения, но и направлением. В сущности, «быстрота движения» является мерой движения в определенном направлении. Если мы указываем направление «быстроты движения», то она становится «скоростью». Так как движение — это несколько скоростей одновременно, оно также векторная величина, и направление движения так же должно быть учтено. Обычно принимают движение в определенном направлении, как положительную величину (+mv), а движение в противоположном направлении, как отрицательную величину (-mv).
Если два предмета с равной массой движутся навстречу друг Другу с равной скоростью, подвергаются неупругому столкновению, слипаются и становятся неподвижными, мы имеем пример, когда +mv суммируется с — mv и равняется нулю. Количество движения при этом сохраняется.
Если до столкновения один предмет движется немного быстрее, чем другой, затем они слипаются и двигаются по направлению предмета, имевшего большую скорость, с быстротой, достаточной для сохранения суммы количества движения; если два предмета частично упруги и отскакивают, но с меньшей быстротой, чем до столкновения, сумма количества движения по-прежнему неизменна.
Если два предмета сталкиваются под углом, они отскакивают друг от друга под углом. Если движение каждого предмета измерено с помощью «векторного анализа» до и после столкновения, и движение каждого предмета приобрело положительный и отрицательный компонент, то в результате движение сохраняется.
Представьте себе объект, находящийся в полном покое с движением равным нулю. Вдруг он взрывается, и части его летят во всех направлениях. Каждая часть имеет движение не равное нулю, но если движения всех частей суммировать век-торно, то окажется, что сумма движения равна нулю.
Сохраняется не количество движения каждой части системы, а количество движения самой системы.
Когда мы говорим о сохранении любого вещества, мы должны иметь в виду «закрытую систему», такую, где вещество не проникает внутрь извне и не вытекает наружу.
Давайте представим бильярдные шары, двигающиеся по безграничной поверхности, сталкивающиеся и отскакивающие, а затем представим эту же поверхность, как закрытую систему, и не будем принимать во внимание трение.
Но бильярдный стол — это предмет, имеющий бортик. Представим себе бильярдный шар, ударяющихся прямо о бортик стола и, отскочивши, двигающийся по своему следу с той же скоростью, которую он имел до столкновения. В этом случае (+mv) превращается в (-mv) и, казалось бы, количество движения не сохраняется.
Но это не так, потому что бильярдный стол сам является частью системы, и когда бильярдный шар ударяется о бортик и отскакивает, стол так же отскакивает в противоположном направлении. Более того, бильярдный стол прикреплен (силой трения и, возможно, чем-то еще) к Земле, то есть отскакивает целая планета.
Так как Земля имеет массу в тысячи триллионов раз больше, чем бильярдный шар, планета вращается со скоростью в тысячи триллионов раз меньшей, чем бильярдный шар — и эта скорость практически неизмерима, но она существует. Люди об этом обычно не задумываются. Нам не приходит в голову, что Земля реагирует на движение бильярдных шаров.
Возможно, что первой мыслью того, кто об этом услышит (я постоянно об этом думаю), будет мысль о том, что если множество бильярдных шаров отскочат в одном направлении, движение Земли в космосе будет постепенно подвергаться воздействию.
Бильярдный шар ударяется о край стола и отскакивает. После этого мы останавливаем его рукой, скажем так. Это мгновенно изменяет его движение, и движение Земли так же изменяется. Бильярдный шар может претерпевать все виды движения, столкновений и отскоков, и Земля будет неотвратимо следовать за ним. Наконец бильярдный шар, который изначально был неподвижен, опять станет неподвижным и приобретет изначальное нулевое движение. То же самое произойдет и с Землей.
Сюда же можно отнести движение пушечных ядер, взрывы атомных бомб, сход снежных лавин, нарастание и таяние полярных льдов и тому подобное. В целом, движение Земли в течение долгого времени не может измениться, несмотря на разнообразные влияния внутри Земли, то есть ее движение продолжается с волшебным постоянством, испытывая при этом толчки и влияния извне.
Закон Уоллиса о сохранении количества движения был первым из величайших законов сохранения, и в течение почти трех с половиной веков напряженных исследований не было замечено ни одного исключения.
Законы сохранения, несомненно, являются просто обобщениями, которые имеют собственную сущность. Всегда остается вероятность того, что при определенных неожиданных обстоятельствах, они могут быть нарушены. Тем не менее подобные обстоятельства еще никогда не были замечены в связи с законом сохранения движения, и вы не встретите ни одного ученого, рискнувшего поверить, что закон сохранения движения может быть нарушен.
