Начнем с тех аспектов науки, которые описывают окружающий нас привычный мир: мир объектов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Законы, которые управляют нашим привычным миром, часто называют «классической физикой». Их можно представить себе как три гигантских столпа, на которых держатся все наши знания о мире. Давайте же взглянем на эти законы, прежде чем двинуться в более сокровенные области познания.
Механика
Первая система законов, которые управляют нашей повседневной жизнью, была сформулирована английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727). Эти законы описывают движение материальных объектов, а соответствующая им область науки называется механикой. Возможно, это один из древнейших предметов интереса физиков. Со времен Древней Греции мыслители пытались дать исчерпывающее описание движения, но не слишком‐то в этом преуспели. Ньютон же разработал новый математический аппарат, который мы теперь называем дифференциальным и интегральным исчислением, и при его помощи наконец‐то сумел вывести законы движения летящих тел (то есть объектов, брошенных или как‐то иначе запущенных в воздух). Сформулированные им правила – мы называем их законами движения Ньютона – довольно просты:
1. Объект сохраняет свое состояние движения или покоя, пока на него не подействует сила.
2. Ускорение объекта пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.
3. Всякое действие вызывает равное ему по силе противодействие.
Эти законы верны для любого движущегося объекта, в любом месте Вселенной – важный пункт, к которому мы скоро вернемся. По сути, первый закон объясняет нам, как понять, что на объект действует сила, а второй – что именно происходит, когда она действует. Однако в таком виде эти законы ничего не говорят нам о том, какие силы вообще могут существовать в природе; только объясняют, как именно силы влияют на движение объектов. Поэтому дальше мы рассмотрим те силы, которые управляют поведением планет.
Закон всемирного тяготения – возможно, самый прославленный вклад Ньютона в науку. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной существует сила притяжения – мы называем ее тяготением или гравитацией, – пропорциональная массам этих двух объектов и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. (Другими словами, если вы удвоите массу одного из объектов, вы удвоите и действующую между этими объектами силу; удвойте расстояние между объектами, и сила притяжения между ними уменьшится вчетверо.)