Татьяна Добрусина - Сверхновая американская фантастика, 1994 № 05
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.
Подобный закон сохранения движения существует относительно предметов, которые вращаются, а не двигаются по прямой. Вращающиеся объекты демонстрируют «закон сохранения момента углового движения».
Угловое движение также векторная величина и может существовать в других противоположных направлениях, по часовой стрелке и против. Два предмета, вращающиеся в противоположных направлениях, могут зацепиться, и вращение полностью остановится. Опять же, предмет с нулевым угловым движением при взрыве может распасться на кусочки, каждый из которых будет вращаться, но все угловые моменты, если их приплюсовать, будут равны нулю.
Простое и угловое движение настолько похожи в некоторых параметрах, что уместно подумать о превращении одного в другое. Оказывается, это невозможно. Эти два явления существуют независимо друг от друга.
Может показаться, что это не так. По крайней мере, если лошадь тянет повозку и сообщает ей движение, колеса начинают вращаться так, что тяга создает угловое движение. Так же быстрое вращение мотора автомобиля вызывает вращение колес, которые, в свою очередь, заставляют машину двигаться по прямой с большой скоростью.
Это, тем не менее, результат сил трения. Лошадь, тянущая повозку, толкает ее против движения Земли, которая производит равное движение в противоположном направлении. Вращение колес означает, что угловое движение Земли эквивалентно изменилось в противоположном направлении.
Все будет происходить совершенно иначе, если не будет трения. Представьте себе неподвижную машину на совершенно гладкой поверхности льда. Вы включите мотор, колеса начнут вращаться, но машина не сдвинется с места. Это невозможно, если нет трения. Точно так же и лошадь не сдвинет повозку, если ее копыта будут бесполезно скользить по льду.
В таком случае, возможно ли движение при полном отсутствии трения?
Конечно, да. Объект, находящийся в открытом космосе, при взрыве разлетается на части, двигающиеся во всех направлениях и вращающиеся также во всех направлениях. Сумма движения после взрыва, тем не менее, будет той же, что и до взрыва; и это так же верно для углового движения.
Но, предположим, у вас нет желания лететь во всех направлениях сразу, а вы имеете летательный аппарат, который должен двигаться в космосе в определенном направлении, и вы хотите, чтобы он стартовал, находясь в неподвижном состоянии. В этом случае, как считает Ньютон, есть только один путь: заставить часть механизма двигаться в одном направлении, чтобы оставшаяся часть двигалась в противоположном желаемом направлении. Только так можно добиться, чтобы механизм сохранял движение.
Вообразите себя в больших санях, находящихся на скользкой льдине, и у вас в санях есть груда кирпичей. Если вы бросите кирпич в направлении противоположном тому, в котором вы бы хотели двигаться, сани в тот же момент двинутся в желаемом направлении. При отсутствии трения скорость саней будет неограниченной. Если вы будете продолжать бросать кирпичи в том же направлении, сани будут набирать скорость с каждым броском и, в конце концов, начнут двигаться очень быстро. То же самое происходит в космосе. Горючее, сгорая в космическом корабле, выделяет раскаленный газ, который под давлением бьет струей в одном направлении, заставляя космический корабль двигаться в противоположном.
Когда американский физик Роберт Хачингс Годарт (1882–1945 гг.) пытался запустить в атмосферу маленькие ракеты на спиртовом топливе, желая достичь Луны, он подвергся резкой критике в передовой статье в «The New York Times». В этой статье, ставшей знаменитой, говорилось, как глупо со стороны Годар да не знать того, что хорошо известно каждому старшекласснику: движение невозможно, если не от чего отталкиваться.
Автор статьи признавал огромное значение сил трения, но, увы, он, очевидно, не был знаком с законом сохранения движения, то есть с третьим законом Ньютона.
Принцип ракеты, заключающийся в том, что одну часть системы необходимо заставить двигаться в одном направлении, чтобы другая могла двигаться в противоположном, казался тогда неэкономичным. Космический корабль должен иметь на борту огромное количество горючего, чтобы лететь, и казалось естественным подумать о каких-то иных способах.
Возможно ли каким-либо образом обратить угловое движение в простое движение? Что произойдет, если попытаться заставить колесо вращаться в космическом корабле и преобразовать это вращательное движение в движение космического корабля по прямой. Использование вращения колеса в космическом корабле казалось гораздо эффективнее, чем трата многих тонн бьющего струей горючего.
В 1960-х годах джентльмен по фамилии Дин (я не знаю его полного имени) претендовал на изобретение схемы, в которой угловое движение преобразовывалось, по крайней мере частично, в обычное движение. Если бы ему удалось привести его колесную конструкцию во вращательное движение, она бы, при правильной ориентации, стала двигаться вверх. Ему удалось доказать это с помощью весов. Вес системы уменьшался при вращении колеса, так как она имела тенденцию подниматься вверх. В некотором смысле это мог быть эффект антигравитации, который бы выводил космические корабли в открытый космос более эффективно, чем принцип ракеты.
Это явление привлекло внимание писателей, работающих в области научного вымысла, в том числе и известного редактора журнала «Analog» У. Кэмпбела Дж., который увлекался областью пограничных исследований и, в частности, «конструкцией Дина». Он поверил в нее и всячески способствовал публикации материала.
В вопросах науки я жесткий консерватор, и для меня преобразование углового движения в обычное примерно то же самое, что поиски лампы Аладдина в мусорном ящике. Я не могу поверить, что «конструкция Дина» представляет интерес, и в этом меня поддерживают многие писатели-фантасты, имеющие научную подготовку.
Но ничто не могло остановить Кэмпбела. Он был уверен, что ученые склонны усложнять научные направления до такой степени, что становятся слепы ко всему, что нарушает их укоренившиеся предрассудки.
Конечно, нельзя сказать, что Джон был совсем неправ. Известно, что ученые иногда отказываются принять нечто на их взгляд бесполезное, несмотря на всю очевидность, только потому, что это не соответствует их представлениям.
И все же остерегайтесь заблуждений. Ученые иногда ослеплены предрассудками к новому и бесполезному, не чувствуя, что исследования на границе наук могут быть истинными, хотя бы потому, что они это отрицают. В большинстве случаев, когда уважаемые ученые отвергают что-то, как нарушение законов природы, это действительно является нарушением и к этому относятся нетерпимо.
Фактически из «конструкции Дина» ничего не получилось.
Теперь мы подошли к проблеме трения и движения. Представьте себе бильярдный шар на поверхности стола, к которому прикоснулись кием так осторожно, что он едва сдвинулся с места. Тем не менее вы придали ему небольшое движение. Бильярдный шар сможет продвинуться только на несколько дюймов, замедляя свое движение и остановится в результате сил трения. Что же происходит с движением в этом случае?
Правильный ответ на этот вопрос можно дать, зная природу нагревания. В XVII веке нагревание воспринимали, как тончайшие флюиды (подобным образом мы представляем себе электрический ток). Различные предметы содержат различное количество флюидов, которые могут переходить из одного места в другое, подобно любым флюидам.
В 1798 году, Бенджемин Томпсон, граф Румфорд (1753–1814 гг.) — тори выслали его из Соединенных Штатов — сверлил пистолет для нужд выборов в Баварии. Он заметил, что во время этого процесса выделяется большое количество тепла. Пистолет и сверлильный инструмент имели изначально комнатную температуру. Тепла, выделившегося во время сверления, было достаточно для закипания воды, и чем дольше продолжалось сверление, тем больше кипела вода.
Румфорду стало ясно, что теплота выделяется в результате сверления, и он предположил, что трение сверла о металл пистолета приводит крошечные частицы обоих в быстрое движение и теплота является выражением этого движения.
