Законы Ньютона, безусловно, справедливы, если для их действия созданы определенные условия. Но содержат они и серьезную слабость, потому что предполагают наличие твердых, не изменяющих свою форму и размеры тел, с каждым из которых связывается мысленная точка, называемая центром масс. Сталкиваемся с ситуацией, уже рассмотренной в первой главе: законы классической физики справедливы не для реальных физических объектов, а для мысленных конструкций.
Но нас интересует не это. Что показал пример со снарядом? Если тело при своем движении распадается на отдельные части, то движение некоторых частей может не продолжать предыдущую траекторию движения тела. Совершенно неважно, каким образом тело распадается на части и движение каких частей рассматривается. Важно, что все такие превращения подчиняются общему физическому закону, который получил название закона сохранения количества движения. Здесь удобно сформулировать его следующим образом: количество движения физической системы, представляющей собой одно тело или множество тел (частей), остается постоянным и может быть изменено лишь в результате взаимодействия с другими физическими системами.
Количество движения — это произведение массы на скорость. Масса физической системы (рассматриваем нерелятивистский случай) равна сумме масс ее частей. Количество движения физической системы равно сумме количеств движения ее частей. Количество движения аддитивно, и это еще одно фундаментальное свойство природы. Следовательно, можно представить себе некоторую скорость, равную сумме скоростей частей физической системы,— она будет оставаться постоянной. Но в общем случае это лишь мысленная скорость, потому что реальной скорости не может быть без объекта, который с этой скоростью движется.
Итак, истинное поведение любой физической системы подчиняется закону сохранения количества движения, который требует, чтобы сумма количеств движения всех частей оставалась постоянной.
Не улетай, Земля, не улетай!
Представьте себе Землю, вращающуюся вокруг Солнца, и нет никакой силы притяжения. Просто Земля — это сложная система, и в процессе своего движения она постоянно испускает маленькие частички (назовем их гравитонами) в направлении, противоположном направлению на Солнце. Система, состоящая из земного шара и гравитонов, точнее, центр масс этой системы, движется прямолинейно и равномерно. Но гравитоны удаляются от Солнца, следовательно, для того чтобы сумма количеств движения оставалась неизменной, земной шар должен все время заворачивать к Солнцу, т. е. двигаться по круговой, точнее эллиптической, орбите. Все происходит, как в случае с разорвавшимся снарядом. Можно считать, что Земля — один осколок, а гравитоны — множество других. Вот видите, все находит объяснение без привлечения понятия силы. Для этого достаточно допустить существование крохотных частиц с неизвестными пока свойствами.
Конечно, объяснение движения Земли по орбите с помощью гравитонов порождает множество вопросов. Откуда берутся гравитоны? Куда они потом деваются? Почему Земля, непрерывно испускающая гравитоны, рано или поздно не истощит их запасы? Почему те же самые гравитоны не будут излучаться в отсутствие Солнца? На некоторые вопросы можно ответить, но на часть из них современная наука ответов пока не нашла.
Разберем до конца пример с растягиваемой ниткой. Когда концы нити входят во взаимодействие с руками, молекулы (точнее, атомные ядра молекул) пальцев взаимодействуют с молекулами нитки и обмениваются с ними количествами движения. Будем считать, что порции количеств движения от молекул пальцев к молекулам нити переносят некие частицы — кванты. Суть сейчас не в этом, а в том, что количества движения молекул нити изменяются. Эти изменения передаются от одних молекул нити к другим. Сумма количеств движения молекул нити изменяется и, если изменения достаточно велики, нить может разорваться.
Для нас разрыв нити представляется как разрушение чего-то непрерывного, разделение целого на составные части. На самом деле ничего подобного. Нить — это не целое, нить — это множество атомных ядер, расположенных друг от друга на расстояниях, в сотни тысяч раз превышающих их собственные размеры. Разрыв нити означает лишь То, что эти расстояния стали еще больше. Подобное может произойти в результате увеличения количества движения как отдельных ядер, так и всей их совокупности. Но что для этого обязательно требуется, вы теперь знаете: чтобы суммарное количество движения системы «человек плюс нитка» оставалось постоянным.