Концепція інерції нам знайома, але якщо замислитися, стане зрозуміло, що вона насправді нелогічна. Ми приймаємо цей закон на віру, хоч він явно суперечить нашому повсякденному досвіду. Врешті-решт, тіла рідко рухаються вздовж прямої лінії. І, безумовно, їхній рух зазвичай не триває нескінченно. Ми очікуємо, що в певний момент вони зупиняться. Гравцю в гольф ніколи б не спав на думку закон інерції, адже м’яч після удару рідко коли летить по прямій і часто зупиняється, не докотившись до лунки. Логічною була і досі залишається інша думка — тіла прагнуть до стану спокою, що панувала в європейській науці кілька тисячоліть, аж до революційного відкриття Ньютона.
Ньютон поставив наше розуміння руху з ніг на голову, пояснивши, що м’ячик для гольфу часто не докочується до лунки, бо його сповільнює сила тертя, а Місяць, замість мчати далі в космос, обертається навколо Землі, бо його утримує на орбіті сила гравітаційного притягання.
Щоб виразніше уявити дію інерції, пригадайте, як під час катання на ковзанах складно повернути в кінці ковзанки: ваше тіло хоче й далі рухатися прямо, і потрібно розрахувати, яку силу застосувати до ковзанів і за якого кута нахилу, щоб змінити напрямок руху, не гепнувшись і не врізавшись у бортик. Або якщо ви катаєтесь на лижах, пригадайте, як буває непросто швидко змінити напрямок руху, щоб не зіткнутися з іншим лижником, який мчить вам напереріз. У таких ситуаціях ми помічаємо інерцію значно краще, ніж зазвичай, тому що в обох випадках сила тертя, яка нас сповільнює і допомагає змінювати напрямок руху, дуже незначна. Якби рівна поверхня навколо лунки на полі для гольфу була вкрита кригою, ви одразу помітили б, як м’ячик котиться все далі й далі.
Тільки подумайте, яким революційним був здогад Ньютона! Він не лише перекреслив попередні уявлення, але й указав шлях до відкриття безлічі сил, які постійно діють на нас, утім залишаються при цьому невидимими, — наприклад, сила тертя, гравітація, а також магнітні й електричні сили. Внесок Ньютона такий вагомий, що на його честь було названо фізичну одиницю сили. Ньютон не лише допоміг нам «побачити» ці приховані сили, а й показав, як їх можна виміряти.
Своїм другим законом він дав нам надзвичайно просте, але потужне керівництво для обчислення сил. Другий закон Ньютона, знамените рівняння F = ma, дехто вважає найважливішим у фізиці. Або якщо сформулювати словесно: рівнодійна сила F, що діє на тіло, дорівнює добутку маси тіла m і фактичного прискорення a, якого набуває тіло.
Одним із численних прикладів того, яке значення має ця формула в нашому повсякденні, є рентгенівський апарат. Дуже важливо, щоб цей пристрій точно визначав діапазон енергій випромінювання. У цьому нам допомагає рівняння Ньютона.
Одним з важливих фізичних відкриттів (його ми більш докладно розглянемо пізніше) є те, що заряджена частинка, наприклад електрон, протон чи іон, яка міститься в електричному полі, зазнає впливу певної сили. Знаючи заряд частинки та напруженість електричного поля, ми можемо обчислити електричну силу, що діє на неї. А знаючи силу, ми можемо за допомогою другого закону Ньютона визначити прискорення частинки5.
У рентгенівському апараті прискорені електрони в рентгенівській трубці спрямовуються на анод. Від швидкості, з якою вони вдаряються, залежить енергія випромінювання, що виникає внаслідок цього. Змінюючи напруженість електричного поля, ми можемо змінити прискорення електронів. Таким чином можна регулювати швидкість, з якою електрони вдаряються об анод, щоб отримати рентгенівські промені потрібної енергії.
Щоб полегшити подібні обчислення, у фізиці як одиницю сили використовують ньютон (Н): 1 ньютон — це сила, що надає тілу масою 1 кілограм прискорення 1 метр на секунду у квадраті. Чому ми кажемо «на секунду у квадраті»? Бо якщо є прискорення, швидкість постійно змінюється: іншими словами, після першої секунди вона не припиняє зростати. Якщо прискорення постійне, швидкість щосекунди змінюється на однакову величину.
Щоб краще зрозуміти це, уявіть кулю для боулінгу, скинуту з багатоповерхівки на Мангеттені, скажімо, з оглядового майданчика Емпайр-стейт-білдинг? Відомо, що тіла падають на Землю із прискоренням приблизно 9,8 метра на секунду у квадраті. Воно має назву прискорення вільного падіння і позначається літерою g. (Для простоти я поки що нехтую опором повітря; більше про це згодом). Після першої секунди куля летить зі швидкістю 9,8 метра за секунду. На кінець другої секунди вона прискориться ще на 9,8 метра на секунду і тепер падатиме зі швидкістю 19,6 метра за секунду. А на кінець третьої секунди вона рухатиметься зі швидкістю 29,4 метра за секунду. До Землі куля долетить приблизно за 8 секунд. Її орієнтовна швидкість на той момент складатиме 8 · 9,8, тобто приблизно 78 метрів за секунду (трохи більше 280 кілометрів за годину).
А як щодо поширеного міфу про те, що коли кинути монетку з даху Емпайр-стейт-білдинг, то нею можна когось убити? Я знову-таки знехтую опором повітря, хоча його роль у цьому випадку була б значною. Але навіть якщо його не враховувати, монетка, що впаде на вас зі швидкістю 280 кілометрів за годину, навряд чи вас уб’є.
Тут доречно спробувати розібратися з питанням, яке неодноразово порушуватиметься далі в книжці, оскільки воно знову й знову постає у фізиці. Це різниця між масою і вагою. Зверніть увагу, що Ньютон використовує у своєму рівнянні масу, а не вагу, і хоча ви можете думати, що це одне й те саме, насправді це зовсім різні поняття. Зазвичай ми використовуємо кілограм як одиницю ваги, але фактично це одиниця маси.
Різниця між ними проста. Ваша маса буде однакова будь-де у Всесвіті. Саме так — на Місяці, в космосі чи на поверхні астероїда. Різною буде не маса, а вага. То що таке вага? Тут уже все трохи складніше. Вага — це результат гравітаційного притягання. Вага — це сила: маса, помножена на прискорення вільного падіння (F = mg). Отже, наша вага змінюватиметься залежно від сили тяжіння, що діє на нас, тому астронавти на Місяці важать менше. Гравітація на Місяці приблизно в шість разів менша, ніж на Землі, тому вага астронавтів буде приблизно в шість разів менша.
Для тіла цієї маси дія сили гравітаційного притягання Землі приблизно однакова на всій її поверхні. Тому ми можемо дозволити собі сказати: «Він важить 80 кілограмів», хоч так ми й змішуємо ці дві категорії (масу й вагу). Я довго й напружено розмірковував, чи використовувати тут замість кілограмів спеціальну фізичну одиницю сили (адже вага — це сила), і вирішив відмовитися від цього, щоб не спантеличувати читачів. Жодна людина, навіть фізик, маса тіла якого 80 кілограмів, не скаже: «Я важу 784 ньютони» (80 · 9,8 = 784). Тому я просто попрошу вас запам’ятати це розрізнення, оскільки незабаром ми знову про це говоритимемо, коли повернемося до загадки, чому ваги «казяться», якщо стати на них навшпиньки.
Те, що прискорення вільного падіння практично однакове в будь-якому місці на Землі, пояснює таємничу закономірність, про яку ви, мабуть, багато чули: усі тіла, незалежно від маси, падають з однаковою швидкістю. У знаменитій історії про Галілея, вперше згаданій в одній з його ранніх біографій, розповідається про експеримент, у якому він одночасно скинув з Пізанської вежі гарматне ядро і меншу дерев’яну кулю. Неначебто він зробив це, аби спростувати приписуване Аристотелю твердження, що важчі тіла падають швидше, ніж легші. Правдивість цієї розповіді, щиро кажучи, викликає деякі сумніви, і зараз ми майже впевнені, що Галілей не проводив такого експерименту, але історія, проте, широковідома, настільки, що командир екіпажу «Аполлон-15» Девід Скотт здійснив схожий експеримент: одночасно скинув на поверхню Місяця молоток і соколине перо, щоб побачити, чи падатимуть ці предмети різної маси з однаковою швидкістю у вакуумі. Це чудове відео можна переглянути тут: cutt.ly/otLqin.
Мене в цьому відео вразило те, як повільно падають обидва предмети. Якщо не замислюватися, можна було б очікувати, що вони падатимуть швидко, принаймні молоток точно. Але обидва падають повільно, тому що прискорення вільного падіння на Місяці приблизно в шість разів менше, ніж на Землі.
