Игра в физику

«Намечается дождь, нужно быстрее возвращаться домой», – подумал Алексей.

И будто бы в подтверждение его мысли где-то вдалеке мелькнула молния, Леша автоматически начал отсчет в голове, и где-то через десять секунд низкий раскатистый гром достиг точки нахождения парня, тем самым выхватив его из глубокой череды размышлений.

«Значит до места удара где-то три с половиной километра, – подумал Алексей, – предыдущий был где-то в пяти километрах от меня, видимо гроза приближается, нужно ускоряться».

Слово «Ускоряться» отдалось в голове эхом и возбудило новую цепочку мыслей. Отдел мозга, отвечающий за поиск аналогий, сработал, как никогда лучше и в мгновение ока мысли парня заполонили навязчивые вопросы о природе расширения вселенной, времени и прочих загадок науки, которые всегда мучили Алексея в четверг вечером, когда он возвращался домой из университета. Последней парой в четверг была, как обычно, лекция по общей физике и уже по привычке после занятий Леша шел домой задумчивый, а иногда даже часами блуждал в поисках ответов, пока неожиданное событие или тревожный звонок матери не выводил его разум из омута размышлений.

Иногда в конце лекции преподаватель физики Николай Васильевич спрашивал у ребят, что в их понимании представляет тот или иной физический процесс, как они, не прибегая к помощи интернета, могут объяснить различные физические явления. Через неделю он выслушивал все версии и наиболее чистые с точки зрения классической физики и логики выделял, а автора теории награждал импровизированной медалью имени одного из великих ученных. Обладатель пяти медалей мог претендовать на «автомат» по его предмету, чем можно объяснить повышенный интерес студентов, которые в борьбе за медали выдумывали изощренные и сложные механизмы физических процессов. Только нескольким ребятам за всю историю преподавания Николая Васильевича удалось стать обладателем полного набора наград и получить заветный «автомат» и Алексей, заполучив к настоящему моменту уже четыре медали, был, как никто за последние годы, близок к заветной цели. В настоящий момент в его коллекции имелись медали имени Исаака Ньютона, Эрнеста Резерфорда, Александра Столетова и Майкла Фарадея. За медаль имени Ньютона он испытывал особенную гордость.

Это случилось на третьем семинарном занятии по общей физике в летнем семестре. Студенты только начали знакомиться с предметом и на второй лекции преподаватель посчитал, что ребята готовы к первому заданию, тем более на факультет аэрофизики и космических исследований просто так не поступают. Все студенты пришли в университет подготовленными и практически в каждом зреет искра ученого, раздуть которую по его опыту совсем не сложно, необходимо дать им пищу для размышления, а дальше процесс пойдет лучше некуда. По окончании интересной лекции о классической механике Николай Васильевич задержал студентов на 10 минут.

– Ребята со старших курсов вероятно уже посвятили вас в смысл моей игры? – спросил профессор.

Отовсюду послышались фразы: «Да, наслышаны», «Что-то говорили», «Конечно рассказывали, Николай Васильевич», – некоторые недоуменно переглядывались, пытаясь понять, о чем идет речь.

– Ну я вижу большинство уже осведомлены, но все же не все, поэтому все-таки введу вас в курс дела. С этого дня объявляю конкурс физических теории. Правила таковы, я даю вам задание, например, спрашиваю, почему поверхность луны серая, а иногда мы видим ее желтой.

– Так это же элементарно, солнечный свет отражается от луны, а желтой мы ее видим из-за того, что атмосфера поглощает остальные полосы отраженного света, – перебил преподавателя один из студентов.

– Собственно да, это так и есть, но согласитесь, что объяснение этого явления не вашего авторства. Вы, молодой человек, всего лишь воспользовались плодом чужой умственной деятельности. Я же предлагаю совершенно другое, постарайтесь придумать собственное объяснение уже известным явлениям. Пускай оно получится не такое складное, как общепринятое, но это будет ваше умозаключение, вот чего я добивался, добиваюсь и буду добиваться от своих подопечных на протяжении всего цикла моего преподавания. Итак, дамы и господа, первое мое задание заключается в следующем. Вы должны дать определение понятию «Инерция», что, по вашему мнению, она из себя представляет. Постарайтесь описать проявление инерции при движении тел, не опираясь на классическую модель. Да и совсем забыл сказать! Автор наиболее удачной теории станет обладателем медали «пытливого мыслителя», получившим пять медалей за семестр я поставлю отлично за экзамен, обладателям меньшего количества я добавлю плюс пол бала к оценке за каждую.

Процесс был запущен. Николай Васильевич знал, что уже сегодня вечером студенты будут толпами штурмовать библиотеки в поисках ответов и интересных идей, многие из них объединятся в группы для совместного поиска решений, а главное они будут общаться и делится своими умозаключениями, тем самым подталкивая друг друга и себя все ближе к заветной цели. Алексей наряду со своими сокурсниками разрабатывал теорию инерции и в день памятного семинара был готов явить ее миру. Стоит отметить, что студенты подготовились на славу, каждый отвечающий сопровождал свой рассказ опытом, разработанным и поставленным лично, активно использовались презентации и анимации. Николай Васильевич с интересом наблюдал за ходом размышления студентов, отмечал сильные и слабые стороны их теорий, которые не сумели продумать ребята, а некоторые спорные вопросы выносил на всеобщее обсуждение. Алексей выступал третьим по счету и порядком волновался, в очередной раз прокручивая в голове свою речь. Наконец, стихли последние замечания по поводу предыдущего доклада и Николай Васильевич вызвал следующего претендента на медаль подготовить все необходимое для своей презентации. Алексей приготовил для пояснения своего рассказа небольшой опыт. Смысл опыта заключался в том, чтобы сбить наблюдателя с толку и заставить задуматься в каком направление на самом деле проявляется инерция. Парень устроился перед кафедрой, пряча за спиной свою хитроумную установку, и задал аудитории один единственный вопрос:

– Как вы думаете, зависит ли направления инерции тела от величины скорости движения системы тел?

– Я думаю, нет, – предположил Паша.

– Инерция действует только в направление движения и никак больше, – пояснил Игорь.

Отовсюду в аудитории слышались схожие ответы о том, что инерция – это сохранение движения телом, перемещающимся с постоянной скоростью, а, следовательно, может быть направлена только по вектору движения.

Последние возгласы стихли и Алексей продолжил:

– Как подтвердил опрос, большинство из вас считают, что тело, которое движется по плоской поверхности с постоянной скоростью, сохраняет свое движение в прежнем направлении после снятия приложенной силы. Сейчас я попробую убедить вас, что это не всегда так.

Алексей прошел за кафедру и начал готовить свою установку к демонстрации опыта. Собственно, установка была абсолютно простой и понятной и состояла из нескольких элементов: длинного деревянного желоба, снизу которого были приделаны по паре колес с каждой стороны, на одном конце желоба привинчена веревка для транспортировки. Алексей положил посередине желоба маленький металлический шарик и установил желоб на колесах в один конец кафедры.

– Сейчас вы увидите, что произойдет с шариком, если я начну медленно тянуть тележку по кафедре, а потом остановлю ее, – прокомментировал Леша.

Парень медленно потянул тележку вдоль по кафедре и где-то через пол метра остановил. Шарик, который в момент движения находился в состояние покоя относительно желоба, пришел в движение и покатился по желобу в ту сторону, куда Алексей тянул тележку.

– Но что же произойдет, потяни я тележку с намного большей скоростью? – спросил Леша.

Не дав публике опомнится, Алексей вернул шарик на место и потянул тележку дальше с заметно большей скоростью, в результате чего шарик завращался вокруг своей оси в сторону противоположную направлению движения тележки, но относительно кафедры он практически не двигался. После того как желоб выехал из под шарика и тот упал на поверхность кафедры, его движение продолжилось в сторону противоположную перемещению желоба. Довольный Алексей посмотрел на замерших в ожидании ребят, выдержал эффектную паузу, после чего начал свой рассказ:

– Краеугольным камнем любого движения, как известно, является кинетическая энергия. Будь то движение атомов, электронов в атоме, движение тигра на охоте и прочие бесконечные примеры. Не важно какой объект и в какой среде движется, а важно то, что он обладает кинетической энергией, которая зависит от ряда параметров, главным из которых является скорость изменения положения объекта в пространстве. А задумывались ли вы когда-нибудь, что будет с телом, если оно потеряет всю кинетическую энергию? Все частицы начиная с самых элементарных остановятся, а, следовательно, не будут активны и превратятся в окружающее их пространство. А что же в свою очередь представляет собой данное пространство? Этот вопрос намного сложнее, так как человеческий мозг отказывается понимать материю, которая не обладает какими-либо параметрами, у нее даже нет температуры, так как температура – это мера теплового движения частиц. Казалось бы, пустое пространство – полностью лишенная свойств аморфная система, однако, это не так. В своей теории я представляю пространство как упругое тело, которое имеет свойство сохранять заданную матрицу структуры. При изменении этой матрицы пространство всячески противится и в попытках сохранить исходную конфигурацию, воздействует давлением в направление противоположном вектору деформации. Если вам так будет проще, эту силу можно приписать к фундаментальным взаимодействиям.

Теперь рассмотрим движение шарика в рамках поставленного эксперимента. Когда мы начинаем двигать желоб, то шарик, удерживаемый на его поверхности силой трения, движется вместе с ним. После прекращения движения сила трения перестает воздействовать на шар, так как на него уже не действует сила, перемещающая тележку. Казалось бы, шар должен остановится, но вместо этого он продолжает двигаться дальше, так как на него действует сила, стремящаяся восстановить структуру пространственной сетки. Таким образом шарик снова и снова выталкивается в новую область пространства и подвергается воздействию силы упругости пространства. Вследствие того, что шарик движется с небольшой скоростью пространство впереди него и за ним меняется равномерно. Изменение конфигурации пространства является своеобразной движущей силой перемещения шарика. Во втором варианте эксперимента пространство за шариком меняется слишком быстро, а перед ним не успевает измениться. Таким образом, создается повышенное давление пространства впереди шарика и он начинает двигаться в противоположную сторону.

Алексей закончил свой рассказ и замер в ожидании перед внимательно наблюдающей за ним аудиторией: «Какова будет реакция ребят на его теорию? Много ли возникло вопросов и на сколько из них у него найдется ответ?»: – эти мысли не покидали парня, пока молчание не нарушил Николай Васильевич.

– Ловко. Очень даже ловко, молодой человек! Напомните, как вас зовут? – возбужденно воскликнул профессор.

– Меня зовут Алексей Альтов, – ответил парень.

– Интересный спектакль вы для нас разыграли, Алексей. Признаюсь, мне понравилось ваше объяснение движения тел в пространстве. Но в вашем эксперименте есть одна загвоздка. Точнее говоря, не в самом эксперименте, а в его трактовке. Некоторые физические явления способны ввести наблюдателя в заблуждение, создавая некую оптическую иллюзию, если можно так выразиться и, тем самым, заставляют экспериментатора выдать желаемое за действительное. Я, конечно же, уверен в том, что вы знаете, по какой причине меняется направление движения шарика на самом деле. За счет действия сил сопротивления воздуха и силы трения возникает крутящий момент, за счет которого шарик раскручивается в сторону противоположную движению тележки.

– Разумеется, мне это известно, Николай Васильевич. Но моя задача заключалась в том, чтобы теория звучала логично и не противоречила эксперименту.

– У меня есть к вам один вопрос, Алексей, если, как вы утверждаете, пространство – это упругая система, то из этого следует, что при изменение пространственной сетки в ней возникает напряжение, стремящееся вернуть ее в исходное состояние. Данное напряжение воздействует на материю, находящуюся в пространстве, отсюда следует, что материя должна тратить энергию на то, чтобы сохранять форму объекта. Мой вопрос следующего характера, откуда у материи нескончаемый запас энергии, на сохранение формы? Из вселенского эфира или параллельных миров?

Этого вопроса Алексей боялся больше всего, одно из самых слабых мест его теории и наметанный глаз Николая Васильевича, конечно, разглядел его и пустил все свои эскадроны в атаку с целью разбить Алексея на голову. Чтобы усмирить подкатывающее волнение, Алексей глубоко вдохнул и попытался возвести сто пятьдесят три в квадрат в уме, этому приему Алексея научил его отец, Константин Геннадьевич Альтов – ученый-физик, который не раз участвовал в научных дебатах и конечно же знал, как правильно вести себя во время дискуссии.

– То есть вы хотите узнать почему материя под действием внешнего напряжения не теряет всю свою кинетическую энергию и не превращается в окружающее пространство или хотя бы не изменяет форму? – переспросил Алексей.

– Да именно так! – ответил профессор.

Перефразировав вопрос профессора, Алексей выиграл время на размышление, этому его тоже научил отец. Интересно, что бы он сказал, увидев его выступление, однозначно был бы не доволен его молчанием перед полной аудиторией, повезло, что сейчас он находится на орбитальной станции и занят исследованием релятивистского замедления химических процессов.

– Мы с нетерпением ждем вашего ответа, молодой человек, – выдернул из размышления Алексея профессор.

«Ну вот и все, – подумал Леша, – прощай медаль и вместе с ней надежда на автомат и здравствуйте 80 вопросов к экзамену по физике, как же быть, у меня просто не хватит времени, чтобы все выучить».

– У меня не хватит времени.

– Прошу прощения, я не расслышал, вы сказали у вас не хватит времени, или я ослышался? – спросил Николай Васильевич.

«Я что произнес это вслух? Что же теперь делать, нужно как-то выкручиваться из ситуации! – подумал Алексей. – Ну раз отступать некуда придется отталкиваться от нынешнего положения, ведь как говорил отец: «Там, где заканчиваются все верные доводы и аргументы начинается импровизация»».

– Да! Вы нисколечко не ослышались, я именно так и сказал: «У меня не хватит времени»! – парировал Алексей.

– Но как же это относится к моему вопросу? Потрудитесь разъяснить! – воскликнул профессор.

«Ну что представление начинается – подумал Алексей – язык мой – враг мой. Хоть сейчас не подведи!»

– Итак, как я говорил ранее, в моей теории пространство упругая система. Только вот не пояснил следующее, когда я говорил про пространственную сетку, вы, вероятнее всего, представляли себе что-то на подобии кристаллической решетки вещества. Однако, если поразмыслить, кристаллическая решетка состоит из пустоты на девяносто девять процентов, а моя пространственная сетка – это плотно упакованная система, в которой каждая предыдущая ячейка без промежутков прилегает к последующей. Таким образом, для деформации каждой ячейки необходимо приложить силу и чем больше сила, тем больше деформация. То есть я хочу сказать, что бесконечная сила расплющит ячейку пространства в плоскость бесконечно малой толщины и бесконечно большой площади, но при этом освободится место в пространстве размером с эту ячейку. Бесконечно большой силы, как известно, невозможно достичь, исходя из законов логики, да и если бы можно было, то все равно в эту ячейку не засунуть объект объемом, превышающим объем ячейки. Вот тут-то и начинает работать упругость системы, каждая ячейка последовательно деформируется и передает часть деформации, следующей за ней ячейке и так далее по цепочке бесконечно далеко, пока деформация не релаксирует вконец. Такой процесс можно легко визуализировать на примере пенопласта. Представьте, что у вас есть кусок пенопласта с виду твердый упругий материал, сферические частички которого плотно прилегают друг к другу. Теперь возьмите какой-либо острый предмет, например, шило и начните продавливать его в пенопласт. Вы заметите, как прилегающие к поверхности шила частицы деформируются и так как диаметр сечения шила мал по сравнению с размером ячейки пенопласта, то частицы, следующие за деформированными, практически не изменяются. Но если мы возьмем шило с диаметром сечения несколько сантиметров, то оно будет продавливать частицы сильнее и деформация будет передаваться по цепочке дальше.

– У меня складывается впечатление, что вы пытаетесь нас запутать, Алексей. Я понимаю, что вы имеете в виду. Однако, я не вижу, как это относится к вашей реплике «У меня не хватит времени»? – перебил Лешу профессор.

– Я как раз приблизился к ответу на ваш вопрос, Николай Васильевич, но для начала позвольте спросить кое-что у вас?

– Разумеется, спрашивайте.

– Скажите, как на ваш взгляд связаны сила деформации ячейки пространства со скоростью ее деформации?

Профессор немного похмурился, обратив взгляд в себя, после чего хитро улыбнулся и посмотрел на Алексея, кажется он понял к чему ведет парень и решил ему подыграть:

– Ну я так полагаю, чем выше скорость деформации ячейки, тем большая сила потребуется для того, чтобы ее деформировать за заданное время.

– Как вы сказали «за заданное время»! – подтвердил Леша. – Значит, чем медленнее мы деформируем ячейки, тем лучше они успевают релаксировать в новом состояние и напряжение рассеивается, точнее бесконечно передается по цепочке, а так как вселенная бесконечна, то и вероятность такого исхода возможна. Релаксируя ячейка передает напряжение равномерно во всех направлениях, и в сторону того объект, который стал причиной деформации. Это предположение подтверждает ту теорию инерции, которую я вам представил. Чем быстрее мы перемещаем объект, тем быстрее деформируется пространство и не успевая релаксировать передает напряжение на движущийся объект, выталкивая его в новую область пространства. Таким образом при высокой скорости движения у меня не хватит времени передать деформацию по цепочке и релаксации напряжения не происходит. – закончил Алексей.

– Если позволите последний мой вопрос на сегодня, что же такое ваша ячейка пространства, каков ее размер и является ли этот размер константой для всей вселенной? – спросил профессор.

– Я осмелюсь назвать это квант пространства. Его размер сопоставим с размером наименьших элементарных частиц и зависит от находящихся рядом объектов. Можно принять, что, чем плотнее находящаяся рядом материя, тем меньше и жестче квант пространства.

– То есть вы хотите сказать, что пространство квантуется? – возразил профессор.

– Конечно же, – ответил Алексей, – все в этом мире квантуется.

Иначе не мог звучать ответ на данный вопрос, учитывая, что отец Алексея является пионером в области квантовых разработок в России.

– Признаюсь я поражен! Не считая некоторых моментов ваша теория звучит вполне логично. В будущем старайтесь изначально продумывать все слабые места в своем выступление, но для неподготовленного студента вы очень даже неплохо отвечали на вопросы. Если у аудитории нет возражений, то позвольте мне вручить этому молодому человеку медаль имени Исаака Ньютона, за новое видение в механике.

Николай Васильевич вышел за кафедру к Алексею и торжественно пожав ему руку повесил на шею металлическую медаль с отпечатанным на ней портретом Ньютона. Пускай это купленная в канцелярском магазине за копейки алюминиевая медаль не несет в себе ни капли материальной ценности, но для Алексея она стала доказательством его способности творить произведения научного искусства и подстегнула его к дальнейшим свершениям. Подхваченный волной ажиотажа Алексей добывал награды одну за другой, его одногруппники и Николай Васильевич с нетерпением ждали каждого доклада студента и каждый раз профессор задавал Алексею все более сложные вопросы, на которые Алексей находил стройные, логичные ответы, другие студенты тоже не отставали и старались завести Алексея в тупик, после некоторых докладов разворачивались получасовые дискуссии, после которых Алексей получал заветную медаль. Не всегда удача была на его стороне и было несколько случаев, когда Алексей возвращался домой на щите, но поражения только раззадоривали парня и помогали взять себя в руки и в следующий раз подготовится основательней.

И вот в очередной четверг Николай Васильевич загрузил ребят очередным вопросом о природе времени. Алексей долго не знал с какой стороны подойти к этому заданию, блуждая по дождливой Москве, он перекрутил в голове все возможные варианты объяснения природы времени, но необходимо было еще придумать опыт, с помощью которого можно визуализировать время, а это гораздо сложнее. Сложно правильно сформулировать природу того, что никак невозможно ощутить, у человека нет в организме рецептора, чтобы почувствовать время. Не приходит ничего в голову кроме как утверждение, что человек придумал время, выдумал секунды, минуты, часы и прочие единицы времени, чтобы облегчить свою жизнь, но на самом деле Леша понимает, что за такой ответ очередной медали ему не получить.

– Время, время! Что же ты такое?! Может снова выйти и сказать, что у меня не хватит времени, а потом под влиянием стрессовой ситуации, выделившегося кортизола и адреналина что-нибудь в голову да придет – пробормотал под нос Леша.

Тем временем дождь усилился и из неназойливого моросящего превратился в настоящую грозу.

«Бродить дальше не имеет смысла, – подумал Алексей, – под таким ливнем я промокну за несколько секунд, потом заболею и скорее всего не смогу прийти на следующий семинар по физике. Да и какая разница, все равно ничего нет».

Но желания идти домой не было. Алексею всегда намного легче думалось во время прогулки в одиночестве, он понимал, что если сейчас отправится домой, то, скорее всего, проведет оставшийся вечер играя за компьютером или на гитаре и время пропадет в пустую.

«А что, если переждать дождь под каким-нибудь козырьком и после продолжить свою прогулку», – мелькнула мысль.

Но Леша прекрасно понимал, что в промокшей одежде гулять не комфортно, да и темные грозовые тучи, нависшие над городом, не сулили хорошей погоды ближайшие пару часов.

«Вот бы поставить на паузу этот дождь и продолжить гулять. Но даже если остановить дождь я буду двигаться и собирать на себя капли, никакого выигрыша от этого не будет, разве что мокнуть будет перед, а не спина,» – на секунду Леша представил, как это выглядит и рассмеялся внутри. – Подождите, ведь если время остановится для дождя, то капли перестанут двигаться от облаков к земле и зависнут в том состояние, в котором находились до остановки времени, но ведь планета продолжит двигаться в космосе вместе с наблюдателем и вся система дождя, остановившегося во времени, должна сохранить те координаты пространства, где произошла остановка времени для дождя, то есть в зависимости от движения планеты она или улетит или прорежет планету насквозь, ведь координаты капель не могут изменится, каждая молекула воды в капле будет прочно закреплена в пространстве, как гвоздь в стене. Но что-то снова не вяжется, ведь если каплю полностью остановить, то кинетической энергии у нее больше не будет, другими словами молекулы, атомы, электроны воды остановятся и превратятся в окружающее их пространство. Следовательно, если мы хотим погулять во время замершего дождя, необходимо замедлить всю вселенную так, чтобы все процессы происходили с минимальной возможной скоростью, кроме скорости движения человека, гуляющего во время дождя. Но и здесь тоже не все так просто, ведь в старой системе координат человек двигался со своей скоростью плюс скорость планеты летящей по просторам космоса вместе с солнечной системой, а если в новой системе координат скорость движения человека сохранится, то он улетит в открытый космос под действием силы инерции, если конечно его не удержит земная гравитация, тут уже вопрос что будет сильнее сила гравитации или сила инерции, действующая на человека в остановившейся вселенной. Это сложный теоретический вопрос, требующий расчётов, к тому же, доподлинно не известно будет ли гравитация в замедленной вселенной вести себя как обычно, в любом случае состояние человека будет не из приятных и прогулка будет испорчена. Вывод напрашивается следующий, если хочешь погулять под замедленным дождем необходимо снизить скорость вселенной до минимально возможной, а скорость человека в пространстве вселенной скорректировать так, чтобы он не ощутил на себе воздействия сил инерции».