Принцип Маха
Ребенка, катающегося на карусели, притягивают к себе далекие звезды. Это и есть принцип Маха, гласящий, что «масса, находящаяся там, влияет на инерцию здесь». Благодаря тяготению удаленные физические тела воздействуют на то, как движутся и вращаются близкие к нам. Но почему это так и что позволяет нам сказать, совершает что-нибудь движение или не совершает?
Если вы когда-нибудь сидели в вагоне стоящего на станции поезда и смотрели, как мимо вас проплывают вагоны другого поезда, то знаете, что порою трудно бывает сказать, ваш поезд покидает станцию или на нее прибывает другой. Существует ли способ, который позволяет наверняка определить, какой из них действительно находится в движении?
Этот вопрос попытался решить в XIX веке австрийский философ и физик Эрнст Мах. Он пошел по стопам великого Исаака Ньютона, верившего, в отличие от Маха, что абсолютным фоном любого движения является пространство. Ньютоновское пространство было подобно миллиметровке с системой координат, и любое движение происходило словно на фоне этой решетки. Мах, однако, с этим согласен не был, он утверждал, что говорить о движении физического тела можно только в том случае, когда движение измеряется относительно другого физического тела, но не решетки. Двигаться можно лишь относительно чего-то, не так ли?
В определенном смысле Мах, испытавший влияние идей ньютоновского соперника Готфрида Лейбница, был предшественником Альберта Эйнштейна, также считавшего, что говорить можно только о движении относительном. Мах полагал, что, поскольку мяч и во Франции, и в Австралии катится по земле одинаково, пространственная решетка — штука бессмысленная. А единственное, что может влиять на то, как мяч катится, — это сила тяжести. На Луне мяч катился бы иначе, так как сила, притягивающая его к поверхности планеты, там меньше. А поскольку каждое существующее во вселенной тело притягивает к себе все остальные тела, каждое и ощущает присутствие всех других через их взаимное притяжение. Таким образом, движение должно в конечном счете зависеть от распределения материи или ее массы, а не от свойств пространства.
«Абсолютное пространство по собственной природе его и безотносительно к чему бы то ни было внешнему всегда остается однородным и неподвижным» Исаак Ньютон, 1687
Эрнст Мах, 1838-1916
Помимо формулировки принципа Маха этот австрийский физик памятен трудами по оптике и акустике, физиологии чувственного восприятия, философии науки и, в частности, исследованием, посвященным сверхзвуковой скорости. В 1877 году он опубликовал важную статью, в которой описывалось, каким образом движущийся быстрее звука реактивный снаряд порождает отстающую от него ударную волну. Именно такая волна позволяет нам слышать звуковой хлопок, создаваемый сверхзвуковым самолетом. Отношение скорости движения снаряда или реактивного самолета к скорости звука называется ныне «числом Маха». Скажем, «Мах 2» — это скорость, в два раза превышающая скорость звука.
Масса
Но что такое, если быть точным, масса? Это мера материи — ее содержание в объекте. Масса металлической лампы равна сумме масс всех атомов, из которых она состоит. Между массой и весом есть существенное различие. Вес — это мера силы тяжести, притягивающей тело к планете: на Луне космонавт весит меньше, чем на Земле, потому что там сила тяжести меньше. Однако масса космонавта остается прежней — число атомов, из которых он состоит, не изменилось. Согласно Альберту Эйнштейну, показавшему, что энергия и масса взаимозаменяемы, масса может быть превращена в чистую энергию. Стало быть, масса — это, по сути, энергия.
Инерция
Инерция, название которой происходит от латинского слова «лень», очень схожа с массой, но она сообщает нам о том, насколько трудно сдвинуть какое-либо тело. Объект, обладающий большой инерцией, сопротивляется попыткам привести его в движение. Даже в космосе, для того чтобы сдвинуть массивное тело, необходима большая сила. Для того чтобы изменить траекторию приближающегося к Земле гигантского каменного астероида, может потребоваться мощный толчок, созданный либо ядерным взрывом, либо силой поменьше, но действующей в течение долгого времени. А для маневрирования маленького космического корабля, обладающего меньшей инерцией, довольно крошечных реактивных двигателей.
Итальянский астроном Галилео Галилей еще в XVII веке выдвинул принцип инерции: если тело оставить в покое и не прилагать к нему никаких сил, его состояние останется неизменным. Если тело движется, то оно и продолжит двигаться с той же скоростью и в том же направлении. Если покоится, то и продолжит покоиться. Ньютон усовершенствовал эту идею, обратив ее в первый из законов его имени.
Ведро Ньютона
Ньютон же сформулировал и закон всемирного тяготения. Он понял, что массы притягивают друг друга. Яблоко падает с дерева на землю, потому что его притягивает масса Земли. Равным образом и масса яблока притягивает Землю, однако нам пришлось бы очень постараться, чтобы измерить микроскопический сдвиг всей планеты Земля в сторону яблока.
Ньютон доказал, что сила притяжения быстро уменьшается с расстоянием, и потому, если мы летим высоко над Землей, планета притягивает нас гораздо слабее, чем когда мы находимся на ее поверхности. Но и уменьшившееся притяжение Земли мы все-таки ощущаем. Чем сильнее мы от нее отдаляемся, тем слабее оно становится, однако все еще сказывается на нашем движении. На самом деле все тела вселенной хоть и слабо, но притягивают нас к себе, и их притяжение вносит тонкие изменения в наше движение.
Взаимоотношения между физическими телами и движением Ньютон попытался понять, размышляя о вращении ведра с водой. Когда ведро только начинает вращаться, вода остается неподвижной, даже несмотря на движение ведра. Затем принимается вращаться и вода. Поверхность ее искажается, в центре опускается, а по краям жидкость поднимается, пытаясь выбраться из ведра, однако ведро не выпускает ее. Ньютон утверждал, что вращение воды можно понять, лишь рассматривая его в фиксированной системе отсчета абсолютного пространства, на фоне его координатной решетки. Мы можем понять, вращается ли ведро, всего лишь взглянув на него, потому что увидим работу сил, создающих лунку на поверхности воды.
Столетия спустя Мах пересмотрел эту аргументацию. Что, если кроме ведра с водой во вселенной ничего больше нет? Как мы тогда узнаем, что вращается именно ведро? Мы ведь можем с таким же успехом сказать, что это вода вращается относительно ведра. Единственный способ понять, что происходит, состоит в том, чтобы поместить во «вселенную ведра» еще один объект — скажем, стену комнаты или даже далекую звезду. Вот тогда мы ясно увидим, что ведро вращается относительно этого объекта. А без такой системы отсчета — неподвижной комнаты или звезд — сказать, что именно вращается, ведро или вода, будет невозможно. То же самое происходит, когда мы наблюдаем за плывущим по небосводу Солнцем или за звездами. Что тут вращается — Земля или звезды? Как мы можем это узнать?
Согласно Маху и Лейбницу, для обнаружения движения необходимо внешнее по отношению к нему тело, а потому во вселенной, где есть лишь одно тело, понятие инерции бессмысленно. Так, если бы во вселенной не было ни одной звезды, мы никогда не узнали бы, что Земля вращается. Это благодаря звездам мы понимаем, что она вращается относительно них. Сформулированная принципом Маха идея относительного движения в противопоставление движению абсолютному вдохновляла многих физиков, и в особенности Эйнштейна (который, собственно, и придумал название «принцип Маха»). Эйнштейн положил мысль об относительности любого движения в основу своих теорий относительности — специальной и общей. Он также разрешил одну из знаменитых проблем, связанных с идеями Маха, — вращение и ускорение должны создавать особые силы, но где же они? Эйнштейн показал, что, если бы все во вселенной вращалось относительно Земли, мы испытывали бы воздействие малой силы, которая заставляла бы нашу планету определенным образом подрагивать.
Природа пространства оставалась для ученых загадочной на протяжении тысяч лет. Современная физика элементарных частиц позволяет считать пространство кипящим котлом, в котором эти частицы непрерывно возникают и распадаются. Масса, инерция, силы и движение — все это в конечном счете проявления булькающего квантового супа.