Как рождается гравитация

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся развитием современной науки.

Глава 1. Гравитация

1.1. Гравитация или тяготение: идем на обострение.

Введение

Все новое встречается враждебно.

    (из опыта)

Гравитация – явление повсеместное, непрерывное и бесконечное, в этом контексте процесс рождения гравитации также непрерывен и бесконечен.

Гравитация, притяжение, тяготение – это те термины, которые являются одними из самых распространенных в физике, но сами термины не притягивают, они лишь дают понять, что в природе существует такое явление.

К великому сожалению, уже на протяжении нескольких веков ученым никак не удается понять, как же работает такой безотказный, вечный механизм. Со дня открытия закона всемирного тяготения Ньютона прошло уже более трех с половиной веков, но механизм гравитации так и остается закрытым. Он что – оказался слишком сложный? Но, с другой стороны, природа никогда специально ничего не усложняет, наоборот – идет более коротким эволюционным путем. Тогда почему мы, пытаясь идти фронтом в этом направлении, но разными тропами теорий, попадаем постоянно в тупики?

Природа держит свои законы в тайне от народа? Или народу нужны специальные очки, чтобы увидеть эту гравитацию? Опять: кто виноват? Виноваты, конечно, ученые, так как это их работа – распознавать, открывать законы природы, расписывать, рассказывать и объяснять об этом нам. Но работа работе рознь: одно дело – землю пахать, другое дело – стихи сочинять, подыскивая правильную рифму, – и там, и там нужны специфические знания. Так и в науке: одно дело – разглядывать под микроскопом цитоплазматические шарики, как это делал Броун, и другое дело – заниматься алхимией, смешивая разные растворы, чтобы получить золото. С Броуном мы разобрались (гл. 4), а вот золото за половину тысячелетия алхимики так и не получили. С гравитацией срок гораздо больше, но ситуация явно критическая: наука слишком долго находится в ее поисках при условии, что действию гравитации мы подвергаемся каждодневно, ежеминутно, ежесекундно!

Мы живем в квантовом мире, но кванты человеческий организм не ощущает. Пытаясь разобраться, эпизодически и постоянно размышляя над проблемой тяготения, я пришел к выводу, что гравитация должна квантоваться. Иными словами, гравитация должна передаваться от одного тела к другому импульсами, квантами энергии. Обращаясь к двум знаменитым теориям – Ньютона и Эйнштейна, можно констатировать, что ни одна из них не подпадает под категорию квантов. Закон всемирного тяготения оперирует массами, но сама масса не обладает притягательными свойствами. Аналогичная ситуация с теорией относительности, здесь ситуация еще хуже, так как в ней даже нет силы, вернее она отождествляется с собственной массой тела, которое скатывается по склону искривленного пространства-времени, предоставленного другой, более тяжелой массой. Но как образуется этот склон, чем искривляется пространство и время – опять той же самой массой? В этом случае теории Ньютона и Эйнштейна должны дополнять друг друга и в конце слиться в одну теорию гравитации, так как гравитация одна и та же, в какой теории ее ни рассматривай. Но, как показало время, все усилия, потраченные на слияние знаменитых теорий, оказались тщетными.

Человечество уже давно подошло к пониманию, что взаимодействие тел между собой посредством тяготения – это общее свойство материального мира. Уж коли это общее свойство тяготения, присущее каждой элементарной частице и так по возрастающей до человека, а затем до космических масштабов, то в чем же кроется тайна гравитации?

Время поджимает – пора разбираться!

1.2. Сила гравитации – есть?

Мир таков, потому что он таков.

(когда нет основы для логических рассуждений)

Так что же все-таки такое гравитация?

Нет смысла углубляться далеко в историю, когда считали Землю плоской, покоящейся на китах, слонах и гигантских черепахах, и все звезды вращались вокруг Земли.

Идеи о возможном устройстве мира, в центре которого находится Солнце, высказывались начиная со времен Аристотеля. Впервые об этом прямо заявил древнегреческий астроном, математик и философ Аристарх Самосский, но в те времена доказать это было невозможно. Аристарх Самосский (около 310 – 230 до н. э.) – выдающийся древнегреческий учёный, сделал первую попытку определить расстояние от Земли до Луны и от Земли до Солнца, впервые выдвинул гипотезу о гелиоцентрической системе мира[1 - Сведений об Аристархе немного, но историки ему приписывают создание первого календаря и солнечных часов. Главным и единственным дошедшим до потомков трудом считается «О величинах и расстояниях Солнца и Луны», где он впервые в мировой истории попытался установить расстояния до этих небесных тел и их размеры. Данную попытку потомки засчитали и впоследствии поставили ему несколько памятников.]. «Огонь лучше земли, и огню, а не земле, полагается быть в центре Вселенной» [1].

Спустя почти два тысячелетия Николай Коперник вернул гелиоцентрическую систему. До этого периода, как мы помним, существовала геоцентрическая система Птолемея (от др. греч. ??, ???? – Земля). Геоцентрическая система отсчета – это система, где начало координат размещено в центре Земли. Настоящая теория гравитации началась с И. Ньютона. Именно он, с подачи других ученых того времени, стал рассматривать гравитационное взаимодействие в соответствии с убыванием сил по обратно квадратичному закону. Данный закон явился прорывом в расчетах физических параметров планет и их движения по небесным орбитам, но сам закон ни на йоту не добавил физического понимания принципа действия гравитации во всей Вселенной.

О законе всемирного тяготения, о приоритете первооткрывателя до сих пор ведутся споры: одни указывают на Роберта Гука, занимавшего до Ньютона пост главы Лондонского королевского общества, другие – на Ньютона. Гук также оспаривал приоритет всех открытий Ньютона в области оптики. Было это так или совсем иначе, позаимствовал ли Ньютон открытие интегрально-дифференциального исчисления у немецкого математика Г. Лейбница, а также воспользовался ли трудами астронома Д. Флемстида, – все возможно. Но в данный момент меня не интересует моральный облик сэра И. Ньютона. Главное, что закон был открыт и до сих пор служит верой и правдой, бывает, работает некорректно – об этом разговор на страницах данной книги.

К формуле притяжения планет по закону обратных квадратов приложили руку еще несколько ученых, о которых упоминал и сам Ньютон, – это Буллиальд и Кристофер Рен.

Следует привести математическую запись этого закона, который гласит, что между материальными массами m

и m

существует притяжение (сила гравитации F), которое тем больше, чем меньше расстояние r между ними.

G=6,67·10

 ?·м

/кг

 – гравитационная постоянная.

Гравитационная постоянная получена экспериментально и никак не связана с другими фундаментальными константами, о ней разговор особый, данной константе посвящена отдельная глава.

Значимость закона всемирного тяготения весьма велика, особенно в наше время, поэтому потомки великого Ньютона назвали этот закон «величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом» [2].

Должен сказать, что данный закон является ключевым в расчетах всей небесной механики, но работает он далеко не всегда корректно, поэтому его следует скорректировать.

Трудно представить, а может и не трудно, что почти три с половиной столетия назад произошло открытие этого закона, но до сих пор человечество не может разгадать несколько тайн и загадок:

1. Что это за загадочные гравитоны, отвечающие за гравитационное взаимодействие, которые не удается обнаружить даже современными инструментальными средствами?

2. Как осуществляется взаимодействие между тяготеющими телами, что такое сила гравитации?

3. Константа гравитационного взаимодействия G остается наименее точно измеренной по сравнению с другими константами.

Ответы вот на эти почему, а также и на множественные другие вопросы будут представлены на страницах данной книги.

Свои исследования и доказательства на тему гравитации начнем с неуловимых гравитонов. Вопрос: они действительно неуловимы?

1.3. Гравитон

1.3.1. Неуловимые гравитоны

Гравитация, по заключению ученых, – это огромное белое пятно в физике.

Гравитон – гипотетическая элементарная частица – предполагаемый переносчик гравитационного взаимодействия в рамках квантовой теории. Предполагается, что гравитон не будет обладать электрическим зарядом и его спин будет равен 2. Почему вопросы поставлены в будущем времени? Все потому, что данная частица до сего времени не обнаружена.

Какие только эксперименты не проводила наука в поисках неуловимых гравитонов. Первый приемник гравитационного излучения был построен в 1960-х гг. в США профессором физики Мэрилендского университета Джозефом Вебером [3]. Детектор представлял собой сплошной алюминиевый цилиндр длиной 1,5 м, диаметром 0,6 м и массой 1,5 т. (Сейчас этот массивный цилиндр находится в Смитсоновском музее в Вашингтоне.)

Цилиндр подвешивался горизонтально на специальной нити в раме из стальных блоков, встроенных в вакуумную камеру, окруженный акустическими фильтрами. Сам цилиндр был облеплен пьезоэлектрическими датчиками, регистрирующими всякое изменение геометрических размеров с точностью до 10

 см. Два таких цилиндра (детектора) были разнесены на расстоянии 1000 км друг от друга и установлены в специальных лабораториях. Регистрационная система обоих детекторов синхронизировалась, фиксировались только те сигналы, которые совпадали по фронту с точностью до 0,2 с. В конце 1969 г. Дж. Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил гравитационные волны, пришедшие на Землю из глубин Космоса. По его сообщению, наблюдались совпадения на детекторах до 100 случаев в год, которые можно было интерпретировать как всплески гравитационных волн.

В 1970-х гг. были созданы аналогичные детекторы гравитационного излучения в разных странах. Однако не было однозначных сообщений о регистрации гравитационных волн, наблюдаемых Вебером, и поэтому результаты, полученные им, считаются недоказанными.

В последующие годы использовались гравитационные антенны второго поколения, у которых пятитонные алюминиевые цилиндры охлаждались до температуры 2 К. Точность таких детекторов достигала 2?10

 см.

В России подобные методы регистрации гравитационных волн разрабатывались группой ученых МГУ под руководством профессора В. В. Брагинского. Чувствительность детекторов достигала 5·10

см!