Фундаментальное уравнение, представленное в предыдущем параграфе, резюмирует центральное понятие, вокруг которого объединяется вся физика, – движение. Напомним упрощенную формулу этого уравнения: ma^→; = F^→; (где m – масса тела в кг, a^→; – его ускорение в м/с², а F^→; – сумма четырех фундаментальных сил Вселенной).

Это уравнение предусматривает, что начало движения связано с действием четырех фундаментальных сил, эффективным настолько, насколько мала масса тела. Оно объединяет три главных кирпичика Вселенной: массу (кг), расстояние (м) и время (с). Сама сила объединяет в себе три эти понятия: являясь произведением массы на ускорение, она выражается в кг ⋅ м/с² (единица, которую для простоты называют ньютон).

На этот счет есть замечательное утверждение: ни одно явление, существующее в природе, не содержит в себе ничего другого, кроме трех понятий – массы, времени и расстояния. Чтобы в этом убедиться, сделаем обзор других физических величин, используемых для описания этих явлений.

Кроме силы широко используется понятие энергии. Пример энергии E = ½mν² показывает, что она выражается в кг ⋅ (м/с)². Мы также могли бы в качестве иллюстрации взять E = mc²: энергия также объединяет в себе три базовых кирпичика.

А как же температура? Это кинетическая энергия перемещения молекул в заданном направлении, то есть ее тоже можно выразить в кг · (м/с)². Обычно мы предпочитаем использовать для этого шкалу Кельвина или Цельсия, что более логично, но не следует забывать, что понятие тепла или холода есть не что иное, как передача энергии на микроскопическом уровне.

Продолжим наш обзор физики. Оптика и электричество, в частности, основаны на действии электромагнитной силы. Между тем она вводит понятие заряда, которое, казалось бы, не согласуется с концепцией времени, расстояния или массы. Но связь все-таки существует! Чтобы в этом убедиться, полезно сравнить выражение двух фундаментальных сил не квантовой физики: гравитации и электростатической силы .

Первая пропорциональна произведению взаимодействующих масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое их разделяет. Во второй массы просто заменены зарядами.

В этом прекрасном сходстве очевидна аналогия между произведением Q ⋅ q и M · m: вообще-то можно выразить их одной единицей, при условии, что k = G, и соответствующим образом адаптировать значение зарядов. Другими словами, заряд можно выразить в кг в системе, где постоянная k будет равна G (отметим, что заряды при этом имели бы колоссальное значение, отражая слабость гравитации по сравнению с электростатической силой). Использование единицы заряда, кулона, не является необходимым: она возникла в ходе развития науки, когда гравитацию и электростатику стали рассматривать отдельно друг от друга. Отметим, что это не противоречит тому, что объект может отдельно иметь массу и заряд: эти два параметра вовсе не идентичны только потому, что оба могут выражаться в кг.

С помощью понятий массы, времени и расстояния можно описать все явления механики, термодинамики, электричества и оптики, затронутые в этой книге.

А как обстоит дело с современной физикой?

Теория относительности построена вокруг фундаментальной константы: скорости света в вакууме с, которая выражается м/с. Какие-либо дополнительные единицы не требуются. Что касается квантовой физики, она строится вокруг постоянной Планка h. Речь идет о моменте импульса, то есть она выражается в кг · (м/с)². И снова мы видим перестановку трех базовых концептов – массы, времени и расстояния. Вся Вселенная держится на этих трех величинах!

Это утверждение приводит нас к еще более поразительному выводу: все законы Вселенной строятся вокруг всего лишь трех фундаментальных констант, напрямую связанных с существованием трех ключевых величин, которые мы выдвинули на передний план. Вот они:

G: гравитационная постоянная, выражается (м³/кг)/с²

Это скрепа классической физики.

с: скорость света в вакууме, выражается м/с

Это скрепа теории относительности.

h: постоянная Планка, выражается кг ⋅ м²/с

Это краеугольный камень квантовой физики.

Единственные дополнительные элементы, необходимые для понимания единства Вселенной, – это свойства элементарных частиц: их масса, заряд и спин. Мы уже говорили об этом в предыдущем параграфе: происхождение значения этих параметров – это главная тайна, которая по сей день присутствует в стандартной модели. Исследовательские работы в физике продолжаются как на теоретическом, так и на экспериментальном уровне. Возможно, однажды появится всеобъемлющая теория, вершина пирамиды, с которой вырисовывается вся Вселенная. Мы уже не очень далеки от этого.