Наука Плоского Мира II: Земной шар

С математической точки зрения эту идею можно формально представить в виде пространства всех возможных форм, которые способна принять поверхность воды. Говоря о «возможных» формах, мы не имеем в виду физическую возможность: в реальном мире поверхность воды в отсутствие каких-либо возмущений всегда будет плоской. Здесь мы имеем в виду «концептуальную возможность». Итак, мы можем представить пространство всех возможных форм водной поверхности в виде простого математического объекта — это и будет фазовое пространство нашей задачи. Каждая «точка», или местоположение, в этом пространстве соответствует потенциально возможной форме. И лишь одна из таких точек, или состояний, соответствует плоской поверхности.

Теперь, когда мы определили подходящее фазовое пространство, следующий шаг — понять динамику систему: каким образом естественное течение воды в условиях гравитации влияет на возможную форму поверхности воды. В данном случае для решения задачи достаточно знать один простой принцип: вода движется так, чтобы свести свою энергию к минимуму. Если придать воде определенную форму — например, в виде выпуклой «горки», а затем предоставить ее самой себе, то поверхность будет двигаться вниз, в направлении «градиента энергии», пока ее энергия не достигнет минимума. Далее (после нескольких всплесков, которые постепенно исчезнут под действием трения) она успокоится и будет оставаться в этом состоянии минимальной энергии.

В данном случае мы имеем в виду «потенциальную энергию», зависящую от гравитации. Потенциальная энергия некоторой массы воды определяется произведением ее массы и высоты над некоторым фиксированным уровнем. Предположим, что поверхность воды отличается от плоской. Тогда некоторые ее части будут находиться выше других. Следовательно, мы можем перенести некоторое количество воды с более высокого уровня на более низкий, разглаживая выпуклости и заполняя углубления. В результате вода движется вниз, и ее общая энергия уменьшается. Вывод: если поверхность воды не плоская, то энергия больше минимальной. Или, другими словами, конфигурация с минимальной энергией достигается, когда поверхность воды плоская.

Еще один пример — это форма мыльного пузыря. Почему она похожа на шар? Чтобы ответить на этот вопрос, можно сравнить настоящую круглую форму пузыря с гипотетической не-круглой формой. В чем разница? Конечно, альтернативная форма не похожа на шар, но, может быть, есть и менее очевидные различия? Согласно древнегреческой легенде, Дидоне было предложено такое количество земли, которое можно окружить воловьей шкурой. Дидона вырезала из шкуры очень длинную тонкую ленточку и расположила ее в форме круга. На этом месте она основала город Карфаген. Почему она выбрала именно круг? Потому что среди всех фигур с заданным периметром круг имеет наибольшую площадь. Точно так же сфера при заданной площади поверхности заключает внутри себя максимально возможный объем, или, иначе говоря, это форма, которая при фиксированном объеме имеет наименьшую площадь поверхности. Мыльный пузырь содержит фиксированный объем воздуха, а площадь его поверхности определяет энергию мыльной пленки, вызванную поверхностным натяжением. В пространстве всех возможных форм пузырей сфера обладает наименьшей энергией. Все остальные формы исключаются, так как их энергия больше минимальной.

Возможно, пузыри не кажутся вам такими уж важными. Однако тот же самый принцип объясняет форму Круглого Мира (в смысле планеты, а не Вселенной, хотя к последней это, возможно, также относится). Когда наша планета представляла из себя расплавленную массу горных пород, она приняла сферическую форму, потому что в таком состоянии ее энергия была минимальной. По той же причине тяжелые вещества, вроде железа, погрузились в ядро, а легкие — например, материки и воздух, всплыли на поверхность. Конечно же, форма Круглого Мира отличается от сферы, потому что он находится во вращении, и центробежная сила приводит к утолщению планеты в районе экватора. Но величина этого утолщения составляет всего лишь треть процента. И для жидкой массы, вращающейся со скоростью, равной скорости вращения Земли в момент ее затвердевания, подобная сплюснутая форма представляет собой конфигурацию с минимальной энергией.

С точки зрения целей нашей книги важны не столько описанные выше физические явления, сколько применение фазовых пространств с позиции «А что, если…». Обсуждая форму воды, мы почти не обращали внимания на плоскую поверхность, которую в конечном счете и пытались объяснить. Все наши рассуждения опирались на искривленные поверхности с выпуклостями и углублениями, а также гипотетическое перемещение воды из одного места в другое. Наше объяснение практически полностью состояло из рассуждений о том, чего не бывает на самом деле. И лишь в конце, исключив из рассмотрения все искривленные поверхности, мы увидели единственную оставшуюся возможность, которая описывает настоящее поведение воды. То же самое касается и мыльных пузырей.