Что такое тяготение?

Но действительно ли этот закон так прост, как кажется? Как он работает? Все, что мы выяснили, — лишь то, как Земля обращается вокруг Солнца, но мы не сказали, что движет ею. Ньютон не выдвигал никаких гипотез на этот счет; ему было достаточно открыть, каким, образом Земля движется в пространстве, и он не углублялся в механизм действия открытого им закона. С тех пор и до наших дней никому так и не удалось разгадать этот механизм. Законам физики свойствен такой абстрактный характер. Так, закон сохранения энергии — это теорема о величинах, которые нужно вычислить и сложить вместе, но он не говорит ничего о том, что такое энергия как таковая; точно так же великие законы механики — это количественные математические закономерности, механизм действия которых неизвестен. Почему мы можем математически описывать мир, не зная природы происходящих процессов? Этого никто не знает. Но мы продолжаем продвигаться вперед по этому пути, потому что он очень плодотворен для познания.

Для объяснения тяготения предлагалось множество гипотез. Интересно рассмотреть одну из них, к которой многие ученые возвращались время от времени. Поначалу, когда наталкиваются на это объяснение, оно кажется превосходным, но скоро обнаруживается, что тут что-то не так. Впервые оно было предложено в 1750 г. Представьте, что все пространство заполнено множеством частиц, движущихся во всех направлениях с огромными скоростями, которые лишь в небольшой степени поглощаются веществом. Поглощаясь, они сообщают свой импульс Земле. Однако поскольку равное количество частиц движется в ту и в другую сторону, все импульсы уравновешиваются. Но если Солнце находится относительно неподалеку, то частицы, движущиеся к Земле сквозь Солнце, частично им поглощаются, так что со стороны Солнца их поступает меньше, чем с обратной стороны. Поэтому Земля получает суммарный импульс в направлении Солнца, и нетрудно вычислить, что этот импульс обратно пропорционален квадрату расстояния, — именно таков закон изменения пространственного угла, под которым видно Солнце, с изменением расстояния. Чем же плохо это объяснение? Оно влечет за собой некоторые следствия, которые не соответствуют действительности. Появляется следующая трудность: Земля, двигаясь вокруг Солнца, должна испытывать больше столкновений с этими частицами с передней стороны, чем с задней (когда вы бежите под дождем, то в лицо попадает больше дождя, чем в затылок!) Поэтому Земле сообщался бы дополнительный импульс с передней стороны, и Земля испытывала бы сопротивление своему движению, а это сказалось бы на замедлении ее движения по орбите. Можно даже вычислить, через какое время Земля должна была бы полностью остановиться из-за этого сопротивления; оказывается, это время не так уж велико; а раз Земля все же движется по своей орбите, то вся эта механика не годится. Все предложенные до сих пор объяснения тяготения предполагают также явления, которых нет в действительности.

Теперь давайте обсудим возможную связь тяготения с другими силами. На данный момент не удается свести тяготение к другим силам. Оно не является проявлением электричества или чем-нибудь в этом роде, этим его не объяснишь. Однако тяготение похоже на другие силы, и интересно посмотреть чем. Например, сила электричества между двумя заряженными телами выглядит точно так же, как тяготение: электрическая сила равняется константе с отрицательным знаком, помноженной на произведение зарядов тел и деленной на квадрат расстояния. Правда, эта сила действует в обратном направлении: подобное отталкивается. Но разве, все-таки, не замечательно, что оба закона включают в себя одну и ту же зависимость от расстояния? Возможно, тяготение и электричество связаны гораздо теснее, чем мы думаем. Было предпринято множество попыток объединить их; так называемая единая теория поля — не более чем очень изящная попытка объединить электричество и тяготение; но при сравнении электричества и тяготения в глаза бросается прежде всего относительная величина обеих сил. Всякая теория, в которой появятся обе эти силы, должна будет объяснить величину тяготения (константу G).

Если мы используем естественные единицы для измерения отталкивания двух электронов под действием электрической силы и их притяжения под действием силы гравитации, то сможем измерить, во сколько раз электрическое отталкивание сильнее гравитационного притяжения. Это отношение не зависит от расстояния, это фундаментальная мировая константа. Ее величина показана на ^ис. 5.14. Гравитационное притяжение составляет 1/(4,17 • 10 ) от электрического отталкивания! Возникает вопрос: откуда берется такое исполинское число в знаменателе? Ведь оно не случайно, как, скажем, соотношение веса Земли и веса блохи. Мы рассмотрели два естественных свойства одного и того же объекта, электрона. Это невообразимое число — естественная константа, поэтому она связана с какими-то глубинными свойствами природы. Откуда бы могло произойти такое огромное число? Кто-то говорит, что в один прекрасный день мы откроем «универсальное уравнение», и в нем одним из

Рис. 5.14. Соотношение сил электрического и гравитационного взаимодействия между двумя электронами корней будет эта константа. Очень трудно найти уравнение, для которого такое фантастическое число было бы естественным корнем. Были также придуманы и другие возможности; одна из них — связать эту константу с возрастом Вселенной. Ясно, что для этого нам нужно найти в природе еще одно огромное число. Но значит ли это, что мы должны измерять возраст вселенной в годах? Нет, потому что год — не «естественная» единица измерения; ее придумали люди.

Как пример естественной единицы давайте рассмотрим время, за которое свет проходит сквозь протон, 10 ²⁴ с. Разделив это число на возраст Вселенной (2 х Ю¹⁰ лет), мы получим примерно 1СГ⁴². Количество нулей в знаменателе примерно такое же, поэтому было предположено, что постоянная всемирного тяготения связана с возрастом Вселенной. Если бы это действительно было так, она менялась бы со временем, потому что по мере старения Вселенной отношение ее возраста к времени прохождения света сквозь протон постепенно возрастало бы. Возможно ли, что постоянная тяготения действительно меняется со временем? Конечно, эти изменения были бы настолько малы, что их почти невозможно зафиксировать.

Один из способов проверить эту мысль — определить, что должно было измениться за последние 10⁹ лет (время появления жизни на нашей Земле), т. е. за ^г/₁₀ возраста Вселенной. За это время постоянная тяготения возросла бы примерно на 10 процентов. Но оказывается, что, если мы рассмотрим структуру Солнца — соотношение между массой составляющего его вещества и скоростью, с которой внутри него производится энергия излучения, — то при росте тяжести 10% Солнце было бы ярче гораздо больше, чем на 10% — пропорционально шестой степени постоянной тяготения! Если мы вычислим, что произошло бы с орбитой Земли при этом изменении, то обнаружим, что Земля приблизится к Солнцу. В общем и целом Земля стала бы на 100° горячее, и вся вода испарилась бы в атмосферу, морей бы не существовало, поэтому жизнь не могла бы зародиться в океане. Так что мы сейчас не верим, что постоянная тяготения изменяется с возрастом Вселенной. Но те аргументы, которые были сейчас приведены, не очень убедительны, поэтому вопрос остается открытым.

Как известно, сила тяготения пропорциональна массе, т. е. мере инерции — того, насколько трудно удержать вращающееся по кругу тело. Поэтому два тела, тяжелое и легкое, вращающиеся вокруг массивного тела по одной и той же траектории с одной и той же скоростью под действием силы тяготения, останутся вместе, потому что движение по кругу требует большей силы для удержания большей массы. Поэтому соотношение между силой тяжести и массой двух тел будет постоянным, и два тела будут продолжать вращаться вместе. Если одно тело находится внутри другого, то оно там и останется; это равновесие считается совершенным. Вот почему Гагарин и Титов наблюдали «невесомость» предметов внутри космического корабля; если бы они отпустили за пределы корабля, например, кусок мела, то он вращался бы вокруг Земли точно так же, как и весь космический корабль, поэтому он казался бы подвешенным в пустоте рядом с кораблем. Очень интересно, что эта сила пропорциональна массе с высокой точностью, потому что если бы это было не так, то наблюдались бы явления, в которых масса и инерция отличаются. Отсутствие таких явлений было проверено с огромной точностью в эксперименте, проведенном впервые Этвешем в 1909 г. и повторенном позже Дикке. Для всех веществ, подвергнутых испытанию, масса и вес пропорциональны с точностью 1/10⁹ или большей. Это замечательный эксперимент.