Нераскрытые тайны природы

Глава 14. Что такое гравитация?

Каждому школьнику известна история о том, как на голову Исаака Ньютона упало яблоко, после чего он, по-видимому, воскликнул: «Bay!.. Это проделки силы тяжести!» В действительности, конечно, все было гораздо сложнее. Еще Галилео Галилей представлял, что два предмета, имеющие различные размеры и вес (например, яблоко и дыня), сброшенные с одинаковой высоты, достигнут поверхности земли за одно и то же время. Галилей много лет изучал закон падения тел и опубликовал свои результаты в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (известной под кратким латинским названием «Discourses»), опубликованной в 1638 г., за четыре года до рождения Ньютона.

Однако Ньютону удалось продвинуться гораздо дальше. После окончания Кембриджского университета в 1665 г. (Ньютону было тогда 23 года) ему пришлось из-за эпидемии чумы на два года вернуться домой в Линкольншир. Там он сделал открытие, равного которому в истории науки не было вплоть до гениального научного подвига Эйнштейна (1905 г.). Открытия Ньютона были связаны с созданием дифференциального и интегрального исчислений, разложением при помощи призмы белого света на отдельные компоненты и, что стало вершиной его творчества, формулировкой трех основных законов механики и закона всемирного тяготения.

Однако прошел 21 год, прежде чем он опубликовал законы механики и всемирного тяготения. Прежде всего Ньютон напечатал свои работы по математике, поскольку выяснилось, что открытие дифференциального и интегрального исчислений оспаривается немецким математиком Готфридом Лейбницем. Ньютон подозревал, что Лейбниц похитил его идеи, хотя на самом деле оба ученых пришли к одинаковым выводам совершенно независимо и почти одновременно. В науке это происходит довольно часто и свидетельствует о том, что «пришло время таких открытий». Однако болезненно подозрительный Ньютон после этого двадцать лет скрывал свои работы по механике и гравитации. После долгих уговоров его друг Эдмунд Галлей, носивший звание Королевского астронома, сумел убедить Ньютона, что рано или поздно кто-нибудь все равно узнает о его работах. Галлей не только помог Ньютону в работе над рукописью книги «Principia Mathematica», опубликованной в 1687 г., но и оплатил ее издание, хотя не был особо богатым человеком. Его великодушие было вознаграждено сторицей. Используя ньютоновский закон всемирного тяготения, Галлей сумел рассчитать эллиптическую орбиту большой кометы, которой было присвоено его имя, и предсказать 76-летний цикл ее появлений на небосклоне.

Ньютон определил гравитацию как силу притяжения между любыми обладающими массой телами, которая возрастает с увеличением их массы, а также при их сближении. Строго говоря, гравитационная сила пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Мяч, подброшенный в воздух, возвращается на Землю, поскольку она обладает значительно большей массой. Если мяч подбросить на очень большую высоту, то он будет падать гораздо дольше. При этом необходимо четко различать понятия массы и веса тел. Масса космонавта на Луне остается такой же, как и на Земле, однако гравитационное притяжение Луны, которое определяет вес космонавта на Луне, составляет лишь одну шестую от земного. Сила притяжения изменяется вследствие изменения отношения массы тел (космонавт/Земля и космонавт/Луна), однако гравитационное взаимодействие определяется тем же самым единым законом всемирного тяготения.

^{Одна из наиболее известных гравюр знаменитого английского философа, художника и поэта Уильяма Блейка, посвященная Ньютону. Блейку были чужды ньютоновские представления о механистической вселенной и строгой причинности законов природы, однако он понимал величие идей Ньютона и попытался выразить на гравюре одиночество гения. (Lutheran Church in America, Glen Foerd at Torresdale, Philadelphia.)[8]}

Сейчас нам трудно представить себе в полном объеме воздействие идей Ньютона на его современников и на дальнейшее развитие всей науки. В качестве сравнения напомню любителям кино, как режиссер Жан-Люк Годар в 1960 г., при работе над фильмом «На последнем дыхании» применил революционный приём монтажа, названный впоследствии «качающимся кадром». Сейчас этот метод стал одним из самых распространенных, однако у видевших его впервые знатоков кино от волнения буквально перехватывало дыхание. Точно такой же эффект произвели законы Ньютона. Они раскрепостили сознание современников, и поразили их своей смелостью, простотой и ясностью. Ньютону удалось связать такие, казалось бы, далекие друг от друга процессы, как падение яблока и вращение Луны вокруг Земли. Он показал, что движение подходящего типа и направления может уравновесить или даже преодолеть силу тяжести. Законы Ньютона объяснили, почему Луна остается на своей орбите и не падает на Землю, позволили рассчитать траекторию полета на Луну космического аппарата «Аполло-11» и преодолеть силы земного притяжения.

Для мира, предложенного Ньютоном, характерны механистичность и строгая детерминированность, т. е в нем следствия однозначно определяются причинами и исходными условиями. Если заданы начальное положение и скорость любого тела, неважно мяча или ракеты, то можно совершенно точно определить его поведение в будущем. Если мяч не попадает в нужное место на спортивной площадке или ракета не выходит на заданную орбиту, то это означает, что им не была придана скорость, необходимая для преодоления силы тяжести и достижения требуемой траектории. С идей и теорий Ньютона начался так называемый Век Просвещения, или Век Разума, как было принято называть восемнадцатый век. Человечество открыло для себя устройство Вселенной, что принципиально изменило представление о роли Бога. Несколько лет назад Папа Римский Иоанн-Павел II извинился от имени католической церкви за суд над Галилео Галилеем, проведенный 360 лет тому назад. Церковь тогда справедливо оценила опасность его идей для религиозного сознания, хотя им была пройдена лишь часть пути к познанию законов Вселенной.

Открытия Ньютона способствовали преобразованию не только науки, но и путей общественного переустройства. Американская революция и Великая французская революция явились своеобразным откликом на его рациональное объяснение физического мира в конце XVIII века. Для тех, кто понял, что звездами управляют законы природы, не было нужды в исполнении воли монархов. Влияние открытых Ньютоном универсальных законов было столь велико, что к концу XIX века многие ученые пришли к выводу, что все законы природы уже открыты. Это подтверждали такие достижения научно-технического прогресса, как электричество, телефон, фотография, двигатель внутреннего сгорания. Возникла мысль о создании летательных аппаратов. Многим подобная идея казалась неосуществимой, хотя законы Ньютона указывали на возможность решить эту задачу. И эта техническая идея воплотилась в жизнь на рубеже веков. В 1903 г. братья Райт сумели, наконец, придать своему летательному аппарату необходимую для преодоления силы тяжести скорость и осуществили первый воздушный полет, доказав еще раз полную правоту законов Ньютона. Однако всего два года спустя началась новая научная революция.

В 1905 г. никому неизвестный сотрудник патентного бюро в Швейцарии Альберт Эйнштейн опубликовал четыре научные статьи, которые повлияли на мировую науку не меньше, чем законы Ньютона в 1687 г. Когда Эйнштейну было 16 лет, его преподаватель греческого языка в мюнхенской гимназии считал, что этому мальчику не удастся ничего добиться в жизни, поскольку он постоянно размышлял о совершенно посторонних предметах, как это случается с выдающимися умами. Возможно, впрочем, что педагог не изменил своего мнения даже после этих публикаций. Очень немногие познакомились с ними, и лишь некоторые сумели понять их смысл. Однако среди тех, кто обратил внимание на работы Эйнштейна 1905 года, был Макс Планк, поскольку Эйнштейн развивал предложенную Планком в 1900 г. квантовую теорию. Прочитав работы Эйнштейна, Планк пришел к выводу, что ньютоновская модель мира ушла в прошлое. Разумеется, открытые Ньютоном законы продолжали описывать окружающий нас мир, но Эйнштейн открыл путь к познанию вселенной совершенно иного типа, которую физики до сих пор пытаются согласовать с ньютоновской.

Возвращаясь к ньютоновской теории гравитации, следует отметить, что еще Ньютон признавал существование важной проблемы, связанной с «передачей» гравитационных сил через пустое пространство. Ньютон писал: «Нельзя себе представить, что неодушевленная материя может без посредника или чего-либо еще нематериального воздействовать при отсутствии контакта на другую материю. Мысль о том, что гравитация представляет собой просто естественное свойство материи, позволяющее телам взаимодействовать через вакуум на расстоянии без каких-либо промежуточных носителей, обеспечивающих передачу сил и взаимодействий из одной точки пространства в другую, кажется мне совершенно абсурдной. Я считаю, что ни один человек с философским складом ума никогда не поверит в это. У гравитации должен существовать постоянно действующий агент в соответствии с определенными законами, и я предоставляю читателю самому решить вопрос, является ли этот агент материальным или нематериальным». Короче говоря, Ньютону было ясно, что гравитация существует, но ему было непонятно, что является носителем этого взаимодействия.

Читатели, к которым обращался Ньютон, или, по крайней мере, ученые предпочли считать агент нематериальным, и в науке надолго утвердилась точка зрения, что пространство заполнено невидимой и не оказывающей сопротивления средой, в которой гравитация и свет распространяются подобно волнам в океане. Эта среда была названа эфиром. Идея эфира оказалась не только ошибочной, но и исключительно живучей. Ее можно сравнить с идеей о том, что некоторые виды птиц не мигрируют на зимний сезон, а впадают в спячку. В течение долгого периода времени никто не предложил ничего более разумного. Лишь в 1887 г. эксперименты американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли продемонстрировали, что эфира не существует. После этого вновь возник вопрос: каким образом гравитация передается через пустое пространство?

В поисках ответа Эйнштейн в 1905 г. сформулировал специальную теорию относительности, а в статье 1907 года предложил знаменитую формулу Е = mc², демонстрирующую эквивалентность энергии и массы и возможность их взаимного превращения. При этом «обменный курс» массы и энергии в отличие от курса обмена разных национальных валют должен быть постоянным. Энергия Ей масса т могут меняться, но коэффициент, связывающий эти фундаментальные понятия, всегда равен с², квадрату скорости света. Огромное числовое значение этого коэффициента означает, что в очень небольшой массе может быть запасена чудовищная энергия. Это доказали не только взрывы атомных бомб, но и тот факт, что полет «Аполло-11» на Луну потребовал, строго говоря, не очень много энергии (читатель может, кстати, сопоставить мощь многоступенчатой ракеты, запущенной с мыса Канаверал во Флориде, с энергией той скромной установки, которая позволила вернуть «Аполло-11» с Луны на Землю).

Проблема гравитации в полной мере привлекла всеобщее внимание в связи с разработкой в 1915 г. общей теории относительности, которая не нуждалась в понятии эфира. Этой теорией Эйнштейн окончательно порвал с ньютоновскими силами. Созданная Ньютоном модель Вселенной была статичной, а Эйнштейн предложил динамичную модель мира, в соответствии с которой само пространство обладало «упругостью» и было способно искривляться, растягиваться и даже деформироваться под действием массы тел. Оказалось, что гравитационное поле Солнца искажает пространство и искривляет проходящие вблизи него лучи света. Более крупные звезды еще сильнее деформируют пространство, а черные дыры, как стало в конце концов ясно, влияют на пространство совершенно немыслимым образом. Идея Эйнштейна заключалась в том, что материальные тела искривляют пространство.

Математический аппарат теории Эйнштейна был чрезвычайно изящным, что весьма высоко оценивается физиками. Однако эффекты, предсказываемые новой теорией, было необходимо проверить на опыте. Такая возможность представилась спустя три года, когда знаменитый английский астроном Артур Эддингтон организовал экспедицию на остров Принсипи (близ берегов Экваториальной Африки) для наблюдений полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. Согласно общей теории относительности, в короткий период полного затмения должно было наблюдаться смещение положения некоторых звезд, расположенных вблизи солнечного диска. Зарегистрированные астрономами смещения полностью совпали с предсказаниями теории относительности. На вопрос, что бы он сделал, если бы наблюдения не подтвердили его теорию, Эйнштейн ответил: «Я бы выразил Богу свои соболезнования. Моя теория точна!» Похоже, Эйнштейн вовсе не был столь скромным и застенчивым, каким его принято представлять.

Теория гравитации Эйнштейна вовсе не уничтожила ньютоновскую механику, которая по-прежнему точно описывает поведение тел в Солнечной системе и, естественно, в окружающей нас повседневной жизни. Проблемы с ньютоновской механикой возникают, лишь когда мы пытаемся использовать ее для описания крупномасштабных явлений и тел. Например, мы не можем в рамках механики Ньютона рассчитать поведение черных дыр, гравитационные поля которых столь велики, что свет не может вырваться из них наружу. Теория Эйнштейна четко предупреждает о возникновении необычной ситуации в условиях, когда сверхвысокая плотность вещества будет приводить к «захвату» света.

С развитием физики роль ньютоновской гравитации стала более скромной. Во времена Ньютона гравитационные силы, управляющие движением звезд и планет, казались наиболее существенным фактором. Однако современная наука выяснила, что гравитация, хотя и играет важную роль, способствуя определенному порядку во Вселенной, оказывается лишь одним из четырех видов взаимодействий, существующих в природе, причем самым слабым. Для характеристики этих сил представим себе бейсбольный матч на стадионе, электроснабжение которого обеспечивает атомная станция. Движение мяча по стадиону определяется гравитационными силами Земли, работу светящегося табло на стадионе обеспечивают электромагнитные силы, а электричество вырабатывается на АЭС под действием ядерных сил (они проявляются при распаде атомных ядер). И наконец, всё на этой картине (включая зрителей, поедаемые ими бутерброды, скамейки, скамьи, биты, мячи и т. д.) построено из атомов, включающих атомные ядра, внутри которых существует сильное взаимодействие.

При изучении элементарных частиц можно полностью пренебречь гравитационными силами. Электрон и протон объединяются в атом водорода не за счет взаимного гравитационного притяжения, а под действием значительно более сильного электромагнитного взаимодействия, причем электрические силы превосходят гравитационные примерно в 1040 (единица с сорока нулями!) раз. Французский физик и писатель вьетнамского происхождения Трин Хуан Туан замечает по этому поводу: «Если бы электрическое взаимодействие отсутствовало, то атом водорода под воздействием гравитационной силы стал бы «разбухать» и «размазываться» по всей Вселенной. Гравитационное притяжение настолько слабо, что оно удерживало бы электрон и протон на расстоянии в десятки миллиардов световых лет».

Лишь в случае немыслимо большого количества собранных вместе атомов возникают достаточно заметные гравитационные силы. Притяжение между горой Эверест и человеком совершенно ничтожно. Те очень смелые или очень глупые люди, которые любят лазить по горам, должны полагаться лишь на собственные силы. Поднимаясь на вершину, они преодолевают тяготение не Эвереста, а всей планеты. Именно притяжение Земли может сорвать альпиниста со скалы и даже лишить его жизни, но с физической точки зрения гравитационные силы играют незначительную роль. Листок бумаги спокойно лежит на столе, несмотря на притяжение всей массы Земли. Гравитация — самое слабое из четырех известных типов взаимодействий, однако именно она по иронии судьбы создает одну из самых сложных проблем современной физики.

Дело в том, что квантовая физика, на которой основана теория Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, предсказывает наличие определенного единства лишь трех фундаментальных взаимодействий, которые принято называть слабыми, сильными и электромагнитными, тогда как гравитация (и в ньютоновской, и в эйнштейновской трактовке) оказывается в изоляции. Между тем физики мечтают об объединении гравитации с тремя другими фундаментальными взаимодействиями в «теорию всего сущего». Физики уже затратили массу усилий, чтобы включить в квантовую механику электромагнитные силы. Для этого пришлось разработать специальные методы «перенормировки», позволяющие избежать появления в расчетах так называемых расходимостей, т. е. бесконечно больших величин, бич современной физики. Ныне покойный Ричард Фейнман, не только блестящий физик, но и автор популярных и остроумных книг, когда-то даже пошутил, что Нобелевскую премию ему присудили за то, что ему удалось «убрать бесконечности подобно тому, как хозяйка заметает мусор под коврик».

Однако для гравитационных сил методы перенормировки оказываются неэффективными, и Дэвид Линдли [2] пишет по этому поводу: «Для удаления двух тел друг от друга необходимо затратить энергию, которая должна выделяться при их сближении. Но согласно знаменитому результату Эйнштейна, энергия эквивалентна массе, а масса участвует в гравитационном взаимодействии. Получается, что гравитация сама себя порождает». Иными словами, масса и энергия взаимосвязаны сложным образом, и возникающие в случае гравитации расходимости, используя выражение Фейнмана, никак не удается «замести подобно мусору под коврик».

Проблема снова возвращается к вопросу, который Ньютон задал своим читателям: что является средой, переносящей гравитационные силы через пустое пространство? Многие физики уверены, что ответ связан с существованием гипотетической субатомной частицы — гравитона (квантовой частицы, аналогичной фотону, который является переносчиком света). И хорошо известный физикам фотон, и гипотетический гравитон относятся к классу частиц-переносчиков взаимодействия, именуемых бозонами. Можно утверждать, что гравитон обязан существовать, поскольку в противном случае придется переосмысливать или кардинально преобразовывать квантовую механику.

Обнаружение гравитона давно стало самой заветной мечтой физиков. Взрывы сверхновых звезд, столкновения галактик и другие события, происходящие во Вселенной, порождают гравитационные волны, которые достигают Земли. Для их регистрации и исследования в штатах Луизиана и Вашингтон были созданы две крупные гравитационные обсерватории (с антеннами размером около 3,5 км). Особенно большие надежды ученые возлагают на установку LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatories), которая, возможно, позволит наконец зарегистрировать таинственные гравитоны. Однако сейчас мы знаем о переносчике гравитационных сил не больше, чем Исаак Ньютон.

1. Greene, Brian. The Elegant Universe. New York: Norton, 1999. Прекрасная книга, в которой с предельной ясностью (когда материал это позволяет) излагаются новейшие идеи физики. Автор, профессор Колумбийского университета, является сторонником «теории струн» (см. гл. 20). Содержание книги может показаться сложным, но в ней очень удачно отражены драматические моменты в истории физики.

2. Lindley, David. The End of Physics: The Myth of Unified Theory. New York: Basic Books, 1993. Книга направлена против многих абстрактных теорий в современной физике типа упомянутой выше теории струн. Подобно другим критическим работам она читается и воспринимается легче, чем книги, посвященные поддержке новейших идей и теорий, и поэтому удачно дополняет книгу Б. Грина, несмотря на идейные разногласия.

3. Suplee, Curt. Physics in the Twentieth Century. New York: Abrams, 1999. Книга издана по рекомендации Американского физического общества и Института физики. Она содержит массу прекрасных иллюстраций и является, возможно, наиболее подходящей для неподготовленного читателя, желающего быстро ознакомиться с новейшими достижениями физики.

4. Ferris, Timothy. Coming of Age in the Milky Way. New York: Morrow, 1988. Книга получила премию Американского института физики и остается прекрасным введением в проблемы космологии.

5. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Книга является одновременно научной и поэтической, что придает ей особое очарование. Описание роли фундаментальных взаимодействий в нашей жизни (на примере стадиона) навеяно картиной грозы в маленьком городе, использованной Туаном для иллюстрации действия различных сил в природе.

6. Bodanis, David. E — тс2: A Biography of the World's Famous Equation. New York: Walker, 2000. Новейшая книга, представляющая очень удачную попытку разъяснить широкой публике смысл знаменитой формулы Эйнштейна. Автор даже разыскал раннюю работу Дж. К. Максвелла, использованную Эйнштейном, и включил много занимательных материалов исторического и биографического характера.

7*. Фридман А. А. Мир как пространство и время. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. Популярное изложение теории относительности, а также представлений о тяготении и материи.

8*. Вавилов С. И. Исаак Ньютон. — М. — Л.: АН СССР, 1945.