Чем мир держится?

Самая слабая, самая могучая

«Героиня» этой книги — сила тяготения, она же гравитация, или, совсем длинно, сила гравитационного взаимодействия.

Тяготение удерживает Луну у Земли, Землю у Солнца, а нас с вами — на поверхности родной планеты. Тяготение стягивает звезды в пары и шаровые скопления, управляет движением комет и даже лучей света. Звездное небо, каким мы его видим, — итог многих миллиардов лет работы гравитационных сил. И если Солнечная система медленно, но верно тянется через космическое пространство по направлению к созвездию Геркулеса — можете не сомневаться, ее влечет та же самая сила.

На Земле тяготение — наш постоянный спутник.

Вот говорят, например, что вся используемая человеком энергия, кроме атомной, результат работы Солнца. Ветры дуют, потому что воздух нагревается лучами Солнца. Вода в реках течет, а не лежит глыбами льда, потому что ее греет наша дневная звезда. В деревьях, в каменном угле, в нефти запасена солнечная энергия. По ветры не дули бы, если бы расширяющийся под воздействием солнечного тепла воздух не становился легче, а сами понятия «легче» и «тяжелее» связаны с тяготением. Да и воздуха на Земле не было бы, не удерживай его гравитация. И реки текут под уклон, потому что их гонит эта наша верная помощница. И мертвые деревья скапливались на дне болот, превращаясь в каменный уголь, в числе прочего, под воздействием собственной тяжести.

Да что говорить! Вещество нашей планеты удерживается вместе в составе небольшого по космическим масштабам шарика все той же гравитацией. И она же держит звезды и соединяет их в галактики. Так что, собственно говоря, без тяготения вообще не было бы ни людей, ни деревьев, ни планет и звезд.

Тяготение, полагает большинство ученых, собрало миллиарды лет назад Землю из куда более мелких тел, подарило ей Луну, сберегает нам атмосферу. Тяготение сформировало все живое на Земле. Мы еще поговорим в специальной главе о взаимоотношениях жизни и гравитации, а пока — только один пример. Обыкновенный лесной гриб, выросший в спутнике в состоянии невесомости, «забывает» напрочь свою заданную миллионолетиями форму, обходится без шляпки, а вместо красивой, стройной, изысканно округлой ножки вырастает у него неровный угловатый столбик.

Силе тяготения в науке долго не везло. Нельзя сказать, чтобы ученые ею не занимались. Наоборот, стоит оглянуться на историю исследования этой проблемы, чтобы увидеть: почти каждый крупный физик по меньшей мере высказывал по этому поводу свои соображения, а чаще посвящал гравитации специальные работы.

Но, как пишет английский писатель и ученый Артур Кларк в книге «Черты будущего», «сила тяготения стоит как-то особняком от других сил природы. Свет, тепло, электричество, магнетизм — все можно генерировать, создать множеством различных способов, и все они обладают свойством взаимопревращения… А вот генерировать гравитацию мы совсем не умеем, и, судя по всему, она совершенно индифферентна к любым воздействиям, которые мы пытаемся на нее оказать».

Множество статей и даже книг о гравитации заявляют (и напрасно!), что тяготение — единственная сила, которую человек до сих пор не умеет использовать, подчеркивают то обстоятельство, что она выступает как противник человека чуть ли не во всех затеваемых им работах.

Но это, право же, далеко не точно. Тот факт, что все тела на Земле притягиваются нашей планетой, человечество начало использовать с незапамятных времен. Знаменитый «отец кибернетики» Норберт Винер был более прав, когда настаивал на том, что тяготение было для человека с самого начала и союзником, и врагом. В силу своей всеобщности и своего постоянства оно стало для нас самым верным среди друзей и самым непреклонным среди противников. Какой толк был бы в палке, сбивающей с дерева плоды, если бы они не падали на землю? Не будь тяготения, первобытным охотникам не понадобилось бы загонять стада оленей или быков к крутым обрывам, с которых животные в панике падали и разбивались. И мамонт проваливался в вырытую на его пути и замаскированную яму, погубленный собственным немалым весом, все той же силой тяготения, которую человек, по сути, поставил себе на службу.

Открытие рычага (осмысленное Архимедом, но фактически сделанное и успешно использовавшееся за тысячелетия до него) можно считать победой если не над тяготением, то над силой тяжести, препятствующей перемещению особо тяжелых предметов. Завоевание водной стихии, начиная с сооружения первого подобия плота, было использованием закона, открытого опять-таки много тысячелетий спустя тем же Архимедом. Когда реки, озера, а потом и моря стали транспортными путями, вода начала играть для человечества роль своеобразного кэйворита каменного века.[1]

И играет эту роль до сих пор. Через всю историю архитектуры и строительства, например, проходит поиск средств, способных противостоять действующей на сооружения силе тяжести.

Можно, конечно, довести рассуждения до абсурда. Лезешь, скажем, в гору — так тоже борешься с тяготением. А спускаешься с горки — его используешь… Но, если говорить серьезно, то ворот и кабестан — вехи в борьбе с тяготением. Как лошадь под седлом или запряженная в телегу, как рельсы под поездом, как воздушный шар, как самолет наконец… Запуск первого советского спутника обозначил собой не только начало космической эры в истории человечества, но и новый рубеж в его борьбе с тяготением. А еще через четыре года первый землянин по-настоящему почувствовал, что такое невесомость.

Есть у Вадима Шефнера стихотворение «Ступени».

Крылья у человечества прорезаются! И вправду — с болью. Но ведь рождение каждого из нас тоже принесло матери не только радость, но и боль.

Пока что путь к победам над тяготением шел не через познание природы и характеристик силы гравитации. Мы просто противопоставили силе силу. Так когда-то человек смирил силой дикую лошадь, заставил ее тянуть повозку. Но должны были пройти тысячелетия, прежде чем он оседлал давно уже служившего ему коня, сделал его не только помощником, но и другом. Придет время, мы научимся не только побеждать гравитацию, но и властвовать над ней, «потеряем» еще одного врага, а союзника обратим в верного друга. Самого могучего во Вселенной и в то же время самого слабого…

Центральный закон диалектики, по Марксу и Энгельсу, — закон единства и борьбы противоположностей. И один из самых знаменитых парадоксов Нильса Бора можно рассматривать попросту как отражение действия этого закона в природе. Великий датский физик вполне в духе своей науки так определил действительно глубокие физические истины: если они верпы, то верпы и истины, им противоположные. Вот уж, кажется, парадокс парадоксов! Но все же каждый из нас, порывшись в памяти, без особого труда найдет — хотя бы среди обрывков школьных знаний — немалое число примеров, подтверждающих мысль Бора. Один из них — история научных представлений об атоме… Две с половиной тысячи лет назад была высказана впервые глубочайшая истина о существовании мельчайшей неделимой частицы материи— атома. Сегодня мы сохраняем за атомом его имя «неделимого», но знаем, что он делится. Эти две истины противоположны друг другу и верны одновременно, но верны для разных уровней строения материи и для разных уровней познания ее.

В этой книге нам часто придется вспоминать парадоксальное определение, данное Бором действительно глубоким истинам.

Уж, наверное, не случайно самая могучая из сил Вселенной оказывается одновременно и самой слабой. Огромен и неисчерпаем мир — вширь и вглубь. Но ученые знают только четыре типа работающих в нем сил, четыре разновидности взаимодействий в мире.

Самую могучую из этих разновидностей так и зовут сильной — говорят о «сильных взаимодействиях». Их сфера действия — элементарные частицы, атомное ядро. «Сильные силы» связывают его частицы воедино. Следующее по мощи взаимодействие — электромагнитное. Оно возникает между телами, несущими электрический заряд. Следующая ступенька вниз — и мы приходим к силам, проявляющимся в некоторых реакциях между элементарными частицами. Так они слабы, что их и назвали слабыми взаимодействиями. Гравитационное взаимодействие— несравненно слабее и этих сил, даже по названию слабых.

Вот два протона в атомном ядре. Между ними должны действовать все четыре вида мировых сил. Ядерные силы — раз (в ядре же эти протоны); электромагнитные — два (эти протоны несут положительный электромагнитный заряд); слабые (протоны же элементарные частицы) и, наконец, гравитационные — протоны, как все тела, имеют массу и притягиваются друг к другу по закону всемирного тяготения. Так вот сильное взаимодействие между протонами примерно в сто раз превышает по мощи электромагнитное. То, в свою очередь, сильнее слабого взаимодействия… в сто миллиардов раз. Но гравитационное «хуже» и слабого-то еще в десять триллионов триллионов (или в десять миллиардов квадрильонов) раз. Ради краткости это записывают так— 10²⁵. А уж между сильным и гравитационным взаимодействиями разрыв примерно в десять в тридцать восьмой степени раз — сильное мощнее в его квинтильонов квинтильонов раз.

Масса Земли равна примерно шести, помноженному на десять в двадцать седьмой степени граммов. Если для простоты расчета убрать множитель шесть, то получается, что Земля во столько же раз тяжелее миллиардной доли грамма, во сколько раз электромагнитные силы взаимодействия между протонами мощнее сил тяготения между ними же.

Еще более впечатляющую картину дает сравнение сил взаимодействия между двумя электронами (электромагнитный заряд у каждого из них по абсолютной величине тот же, что у протона, зато масса почти в две тысячи раз меньше массы протона). Здесь электромагнитные силы уже десять в сорок третьей степени раз больше гравитационных — как раз во столько же раз, во сколько раз Земля тяжелее одной десятиквадрильонной доли грамма.

Нет в нашем мире силы слабее, чем гравитация!

Но проигрывая в этом, гравитация- берет свое и на планете и во Вселенной благодаря другим своим качествам. Сильные взаимодействия сверхмогучи, но место действия у них очень ограниченное — атомное ядро.

У электромагнитных сил область приложения куда шире. Но и они по масштабам своего действия далеко уступают гравитации. Ведь частицы и тела могут иметь как положительные, так и отрицательные заряды, могут быть и нейтральными. В космических телах и масштабах эти заряды, естественно, складываются и почти целиком— по воздействию на окружение космического тела — «взаимоуничтожаются».

О слабых взаимодействиях, проявляющихся лишь на уровне элементарных частиц, и говорить нечего. Слишком узко поле их действия.

А слабой гравитации подвластно все — от света до звезд, и расстояние даже межзвездное для нее не преграда. Гравитационные заряды всегда «складываются». Мы не знаем вещества, которое бы не несло «гравитационного заряда». О гравитации порой говорят как о всеобщем свойстве материи. Это универсальная, самая «тотальная» из известных человеку сил природы.

А может, мы поспешили, назвав ее всеобщей, если она значительна только в макро- и мегамире, то есть в мире больших и гигантских величин? Пожалуй, нет, не поспешили. Да, в молекуле, атоме, атомном ядре гравитация не играет никакой роли. Слишком велики межатомные и даже межнуклонные расстояния при сверхничтожных размерах масс атомов и элементарных частиц. Но по мере нашего проникновения в глубь материн мы, быть может, выйдем к таким структурным частям элементарных частиц, расстояния между которыми окажутся настолько ничтожны (по сравнению с их массами), что гравитация вновь заявит здесь о себе во весь голос.

Мало того. Все остальные взаимодействия могут носить двоякий характер. Тела, несущие электромагнитные заряды одного знака, отталкиваются, тела с зарядами противоположного знака притягиваются. В атомном ядре на одном расстоянии сильное взаимодействие проявляется в притяжении нуклонов (протонов и нейтронов) друг к другу, на более близком расстоянии — во взаимоотталкивании я дер пых частиц. Слабое взаимодействие тоже может происходить по-разному…

А вот гравитация, тяготение, всегда проявляется только в притяжении тел, она в этом отношении демонстрирует завиднейшее постоянство. Есть, правда, гипотезы о том, что просто мы имели до сих пор всегда дело только с положительным гравитационным зарядом тел, а возможна, так сказать, отрицательная масса, с другими гравитационными свойствами. В своем месте мы еще о таких гипотезах поговорим, но пока что останемся на твердой почве достоверно известных фактов.

По крайней мере две с половиной тысячи лет человек сознательно стремится понять эту силу, определить ее, осмыслить, истолковать я использовать. Его борьба за познание природы тяготения необычайно поучительна. И не только сама по себе. Проблема тяготения стала ключом к раскрытию свойств движения, пространства, времени.

Каждый закон, открытый наукой, может рассматриваться как представитель всех законов природы. История каждого открытия, сделанного человеком, — зеркало, в котором отражаются не только свойства мира, но и свойства человечества.

Законы гравитации выступают в качестве своеобразного эталона среди физических законов, образца, с которым можно сравнивать, на который можно равняться.

Недаром ведь ньютоновский закон всемирного тяготения был назван величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом. Американский физик Ричард Фейнман в цикле лекций, который переведен и издан у нас в стране под названием «Характер физических законов», в качестве постоянного и характерного примера использует именно закон Ньютона — «может быть, потому, что этот великий закон был открыт одним из первых и имеет любопытную… историю. Вы скажете (продолжает Фейнман): „Да, но это старая история, а мне хотелось бы услышать что-нибудь о более современной науке“. Может быть, более новой, но не более современной. Современная наука лежит в том же самом русле, что и закон всемирного тяготения».

Можно добавить и. по-видимому, Фейнман не стал бы возражать против такого добавления, что именно закон Ньютона и стал началом этого русла, он был истоком реки, проложившей русло, в котором с тех пор развивается наука. Потому, в частности, что с ним в науку по-настоящему твердо и навсегда вошло число.

История проблемы — эти два слова образуют одно понятие, у которого есть, как полагается каждому уважаемому понятию, две стороны: в данном случае эти стороны можно определить как «физическую» и «историческую».

Понимание — пусть на популярном уровне — физической стороны дела открывает нам ни более ни менее как устройство Вселенной, «план мироздания», как сказали бы в прошлом веке. Понимание движения науки, ее исторического развития дает нам представление и о законах такого развития и о людях, которые законы открывали. А этого из учебника, как правило, не узнаешь: туда попадают одни только формулы в сопровождении лишь имен тех, кто их впервые написал.

Путь к одному открытию можно рассматривать как модель пути к любому другому открытию. Можно ли руководствоваться такой моделью, когда ты ищешь пути к новым открытиям?

Алгоритма, строгого набора правил перехода от старого открытия к новому, еще никто не создал, хотя сотни людей, занимающихся так называемым науковедением, в конечном счете, по-видимому, ищут именно такой алгоритм. Но во всяком случае история науки издавна оказалась хотя бы в одном отношении в более выгодной позиции, чем просто история: если кому-то могло показаться, что история ничему не учит, то об истории науки и самый отпетый скептик этого не осмелится сказать.

Владимир Ильич Ленин писал: «Весь дух марксизма, вся его система требует, чтобы каждое положение рассматривать лишь (а) исторически; (β) лишь в связи с другими; (γ) лишь в связи с конкретным опытом истории».

Мы пройдем в книге по пути, которым развивалась идея тяготения, и будем более или менее внимательно приглядываться к наиболее заметным вехам и памятникам по сторонам этого пути.

Рассказ о жизни замечательной идеи тяготения разбит на три части. Первая — «Вчера» — посвящена ее истории до появления общей теории относительности. Вторая — «Сегодня» — говорит о современной ситуации в науке о гравитации. Третья — «Завтра или никогда» — разнородна. В ней есть главы об открытиях, в неизбежности которых ученые уверены, есть попытки заглянуть в будущее науки, есть изложение идей, в чьей реальности большинство физиков сомневается.

Разумеется, такое деление книги весьма условно. История науки — часть ее, она проникает в сегодня так же, как и в завтра.

Идеи древних греков порою живо обсуждаются и сейчас на семинарах в физических институтах, предположения, выдвинутые сотни лет назад, могут обернуться реальностью в будущих экспериментах.

Путь познания неделим.