Мои научные исследования касаются физики поверхности океана. Я – физик-экспериментатор, поэтому часть моей работы – морские экспедиции, в ходе которых я исследую процессы, протекающие на зыбкой и прекрасной границе между воздухом и океаном. По многу недель мне приходится работать на исследовательском судне, которое представляет собой нечто вроде плавучей, функциональной и мобильной научной деревни. Проблема длительного пребывания на корабле – необходимость жить с гравитацией, которая ведет себя не совсем так, как на суше. Понятие «внизу» становится весьма неопределенной концепцией. Предметы могут падать с такой же скоростью и в таком же направлении, как если бы вы уронили их на суше, но не всегда. Обнаружив на столе какой-нибудь незакрепленный объект, вы поневоле начинаете смотреть на него с подозрением, поскольку нет никакой гарантии, что он останется неподвижным. Жизнь на море проходит в окружении всевозможных амортизаторов, запертых на замок выдвижных ящиков, веревок, канатов и ковриков, которые обеспечивают прочное сцепление с подошвой обуви, что помогает вам более-менее сносно существовать в условиях постоянного действия некой капризной силы, которая, подобно научному полтергейсту, тянет окружающие вас предметы в непредсказуемых направлениях. Тема моих научных исследований – пузырьки, порождаемые разбивающимися волнами во время штормов. Поэтому мне приходится месяцами жить в море, причем порой в весьма некомфортных погодных условиях. Вообще говоря, мне нравится эта «морская романтика», к ней быстро привыкаешь. Однако я извлекла из морских экспедиций один важный урок: мы воспринимаем силу притяжения как нечто само собой разумеющееся и, как правило, не задумываемся о ее существовании. Во время одной из научных экспедиций в Антарктику корабельный казначей взял себе за правило по три раза в неделю проводить с нами что-то наподобие физзарядки. Он собирал нас в одном из холодных трюмов корабля, где мы, подчиняясь его командам, становились в круг и в течение часа дружно подпрыгивали, наклонялись, приседали и выполняли другие физические упражнения. Это была, наверное, самая эффективная групповая физзарядка, которую мне когда-либо приходилось делать, поскольку мы никогда не знали, какой силе нам предстоит сопротивляться в каждый очередной момент. Первые три упражнения «присесть-встать» могли казаться нам до смешного легкими, так как соскальзывание корабля с гребня волны вниз существенно снижало силу земного притяжения. Но только вы начинали чувствовать себя по-настоящему хорошо, как вас тотчас же настигало возмездие: корабль достигал подошвы волны. В этот момент притяжение становилось на 50 % сильнее и внезапно возникало ощущение, будто вашим мышцам приходится преодолевать сопротивление резинового эспандера, один конец которого прикреплен к полу, а другой – к вашим плечам. Еще четыре упражнения «присесть-встать» – и гравитация вновь пропадает… Прыжки на месте давались еще тяжелее, потому что вы никогда не могли угадать, на какой высоте окажется пол в следующее мгновение. А после физзарядки, стоя под душем, вам приходилось ловить струю воды, которая направлялась то в одну то в другую сторону душевой кабинки по мере того, как корабль кренился то на один то на другой борт или наоборот, то на нос, то на корму в результате килевой качки.
Разумеется, с гравитацией все было в порядке. Все предметы на корабле притягивались к центру Земли с одной и той же силой. Но когда вы ощущаете силу земного притяжения, вы сопротивляетесь ускорению. Если среда, в которую вас поместили, сама приобретает ускорение (представьте, что вы находитесь в гигантской консервной банке и ее время от времени подбрасывают вверх, после чего она каждый раз падает вниз), то ваше тело не сможет уловить разницы между гравитационным и любым другим ускорением, действующим на вас. В конечном счете вы оказываетесь под действием «результирующего ускорения», не отдавая себе отчета в том, в чем его источник. Именно поэтому необычные ощущения, возникающие у вас в лифте, появляются лишь в начале и конце движения, когда лифт ускоряется, прежде чем достигнет своей «крейсерской скорости», и замедляется («отрицательное ускорение»), прежде чем полностью остановится. Ваше тело не улавливает разницы между ускорением лифта и ускорением, вызванным гравитацией[12], поэтому вы испытываете повышенную или пониженную «результирующую силу тяжести». В течение какой-то доли секунды вы можете почувствовать, каково жить на планете с другим гравитационным полем.
К счастью, большую часть времени мы не испытываем на себе подобных сложностей. Сила тяжести постоянна и действует в направлении центра Земли. «Вниз» – это направление, в котором падают предметы. Это известно даже растениям.
Моя мама – заядлый садовод и огородник, поэтому в детстве у меня было достаточно возможностей сеять семена, пропалывать сорняки, кривиться от вида слизняков и ворошить навозные кучи. Помню, меня всегда восхищали сеянцы, потому что они знали, где «верх», а где «низ». В глубине почвы, куда не проникает свет, после раскрытия оболочки семени новые корешки тянулись вниз, а нарождающийся стебелек – вверх. Вытащив из почвы любой саженец, вы легко могли убедиться в том, что растения никогда не ошибаются в выборе направления своего развития: корень неизменно прорастает в глубь почвы, а стебель устремляется вверх. Как они ориентируются в пространстве? Став постарше, я нашла ответ на этот вопрос – и он был на удивление прост. Оказывается, внутри семени есть специализированные клетки, называемые статоцитами, нечто вроде микроскопических «снежных шариков»[13], встроенных в растение. Внутри каждой такой клетки есть особые крахмальные ядра, более плотные, чем остальной материал клетки, ориентированные в направлении нижней части клетки. Белковые сети наделены способностью к ориентации в пространстве, так что семя, а впоследствии и растение знают, где «верх», а где «низ». Когда в очередной раз будете сеять семена, вспомните о наличии в них некоего подобия «снежного шарика» и бросайте их в почву в каком угодно положении. Можете не сомневаться, растение справится с задачей, которую вы перед ним поставили.
Гравитация – чрезвычайно полезный инструмент. Отвесы и ватерпасы – дешевые и точные измерительные инструменты. Гравитация никогда вас не подведет и всегда укажет направление «вниз». Но если все вещи притягиваются друг к другу, то что можно сказать по поводу горы, которую я вижу в отдалении? Притягивает ли она меня? Что такого особенного в центре нашей планеты?
Мне нравится проводить время на морском побережье по многим причинам (волны, морская пена, солнечные закаты, морской бриз и т. п.), но больше всего меня привлекает освобождающее и ни с чем не сравнимое ощущение безбрежности моря. Когда я жила в Калифорнии, я снимала крошечный домик на самом берегу океана – так близко, что ночью был слышен шум прибоя. В саду у домика росло апельсиновое деревце, а с крыльца можно было наблюдать за течением окружающей жизни. В конце рабочего дня я любила приходить на берег океана, садиться на какой-нибудь крупный валун, отшлифованный морским прибоем, и любоваться солнцем, заходящим в Тихий океан. В детстве в Англии мне тоже нравилось прогуливаться по морскому берегу, наблюдая за рыбами, птицами или крупными волнами. Но когда я смотрела на океан в Сан-Диего, в моем воображении возникал образ планеты. Тихий океан безбрежен, занимая треть окружности, опоясывающей Землю по экватору. Наблюдая солнечный закат, я представляла гигантский шар, на котором живу. По правую руку от меня располагались (где-то очень далеко на севере) Аляска и Арктика, а по левую (гораздо дальше на юге) – Анды, тянущиеся почти до Антарктики. У меня едва не закружилась голова, когда я попыталась вообразить эти бескрайние дали. В какой-то момент мне даже показалось, что я непосредственно ощущаю в себе все эти места. Каждое из них изо всех сил притягивало меня к себе, а я, в свою очередь, притягивала их. Каждая частица массы притягивает к себе каждую другую частицу массы. Сила притяжения – чрезвычайно слабая сила. Даже маленький ребенок способен сопротивляться силе притяжения целой планеты. Тем не менее каждое из этих ничтожных по своей силе бесчисленных притяжений действует на нас. В совокупности они складываются в единую и вполне ощутимую для нас силу – гравитацию.
В 1687 году великий ученый Исаак Ньютон сформулировал в своей знаменитой книге Philosophiae Naturalis Principia Mathematica («Математические начала натуральной философии»[14]), более известно «Начала», Закон всемирного тяготения. Используя правило, согласно которому сила притяжения между двумя предметами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, он показал, что результатом сложения всех сил притяжения на нашей планете (между прочим, очень многие из них взаимно компенсируются) является единая сила, направленная вниз, к центру Земли, и пропорциональная ее массе и массе притягиваемого ею предмета. Гора, которая находится от вас на вдвое большем расстоянии, будет притягивать вас к себе в четыре раза слабее. Из чего следует, что удаленные объекты оказывают на вас меньшее воздействие. Но как бы далеко от вас они ни располагались, их притяжение все равно нельзя сбрасывать со счетов. Сидя на берегу океана и глядя на закат солнца, я испытывала притяжение со стороны Аляски с севера и со стороны Анд с юга. Но поскольку эти силы были направлены в противоположные стороны, они компенсировали друг друга. Поэтому единственной силой, действовавшей на меня, была сила гравитации, направленная к центру Земли.
Таким образом, несмотря на то что нас притягивают к себе (прямо сейчас!) Гималайские горы, знаменитый оперный театр Сиднея, ядро Земли и огромное множество морских ракушек, нам вовсе не обязательно об этом знать. Все эти сложности отпадают сами по себе, оставляя нас один на один с простым инструментом. Чтобы предсказать силу, с которой притягивает меня Земля, мне нужно знать лишь две вещи: 1) как далеко от меня расположен ее центр; 2) какова ее масса. Прелесть теории Ньютона – в ее простоте и элегантности, а также доказуемости на практике.