О. Деревенский - Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения

• Название: Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Помните, как в школе мы все замирали словно кролики перед удавом перед законом про "всемирное тяготение" всех масс в мире друг к другу. Нам рисовали на доске двухэтажную формулу, а вместо её доказательства рассказывали анекдот про яблоко, поразившее в темечко спящего автора, который проснулся от удара и тут же этот самый закон записал. Особо сомневающимся в факте взаимного тяготения масс предлагалось для доказательства спрыгнуть откуда-нибудь повыше и посмотреть, что будет.

Позже, в институте, доказательство этого закона тоже как-то проскакивали на большой скорости, без ненужных подробностей.

И, как оказалось, далеко не случайно. Поскольку массы друг другу вовсе не притягиваются. А с тяготением всё и гораздо сложнее, и куда интереснее.

Но об этом лучше почитать в самой статье.

---

Вот как она это делает. Вблизи поверхности Земли сила тяготения, действующая на маленькое пробное тело, равна, как полагают, сумме сил его притяжения ко всем маленьким кусочкам, на которые мысленно разбивают Землю. Если бы Земля была однородным шаром, то результат суммирования зависел бы лишь от расстояния до центра этого шара. Но в том-то и дело, что Земля не является однородным шаром – а это и предоставляет нам возможность убедиться в том, что её поверхностное вещество не обладает притягивающим действием. И прежде всего обратим внимание на самую большую, прямо-таки глобальную, неоднородность: Земля является не шаром, а эллипсоидом, будучи сплюснута с полюсов – так что она имеет так называемую «экваториальную выпуклость». Экваториальный радиус Земли примерно на 21 км больше полярного, и, из-за одной только этой причины, сила тяжести на экваторе должна быть несколько меньше, чем на полюсе. Если прикинуть увеличение экваториального радиуса при условии, что результирующее уменьшение силы тяжести обеспечивается только центробежными силами (из-за собственного вращения Земли), то получается почти 11 км. Причём, если шар превращается в сплюснутый эллипсоид при сохранении своего объёма, то увеличение экваториального радиуса на 11 км вызовет уменьшение полярного радиуса на те же 11 км. Результирующая разность составит 22 км – т.е., величину, близкую к фактической. Это радует; но обратим внимание, что мы не принимали в расчёт притяжение экваториальной выпуклости, которое оказывает дополнительное противодействие центробежным силам. Чем больше средняя плотность вещества в экваториальной выпуклости, тем сильнее должно быть это противодействие, и тем меньше должно быть результирующе равновесное увеличение экваториального радиуса. Расчёты показывают, что, при средней плотности в четыре тонны на кубометр, увеличение экваториального радиуса составило бы не 11 км, а всего-то 7 км. Если, конечно, экваториальная выпуклость притягивала бы. Но если это увеличение составляет лишь немногим меньше 11 км, то… не нужно иметь семь пядей во лбу, чтобы сообразить: экваториальная выпуклость не притягивает! Против фактов не попрёшь! Впрочем, находятся оригиналы, которые, несмотря ни на что, прут против. Этих весёлых ребят называют баллистиками – они учитывают влияние экваториальной выпуклости на движение искусственных спутников Земли!

Дальше – больше. Кроме глобальной неоднородности Земли, связанной с экваториальной выпуклостью, есть ведь у неё и более мелкие неоднородности – в распределении плотности вещества в поверхностном слое. Там есть залежи плотных, или, наоборот, рыхлых пород. Есть огромные горные массивы, где плотность пород составляет около трёх тонн на кубометр. Есть океаны, где плотность воды составляет одну тонну на кубометр на всей толще – даже на глубине в 11 километров. А есть лежащие ниже уровня моря долины, в объёме которых плотность вещества равна плотности воздуха. По идее о всемирном тяготении, все эти неоднородности поверхностной плотности должны сказываться на показаниях гравиметрических инструментов. Простейшим из них является отвес: он должен уклоняться в ту сторону, с которой сильнее притяжение поверхностных масс. Так, рядом с мощным горным массивом, отвес должен уклоняться к этому массиву, а на берегу океана он должен уклоняться от океана. Эти уклонения должны быть вполне заметны, например, при сравнении географической широты пункта, полученной двумя способами: астрономическим (с привязкой к отвесной линии) и геодезическим (без такой привязки). Обратите внимание: лишь по теории отвес должен уклоняться, а эти уклонения должны быть заметны… Но на практике оказывается, что никто никому не должен: вышеназванные уклонения отвеса – ни вблизи горных массивов, ни вблизи океанов, ни там и сям сразу – не обнаруживаются. Самое большой шок по этому поводу испытали англичане, которые в середине XIX века проводили изыскания уклонений отвеса южнее Гималаев, а получили шиш. Вообще-то, шиши получались везде, но южно-гималайский случай примечателен тем, что уклонения там ожидались рекордные – ведь севернее находился самый мощный горный массив, а южнее был Индийский океан – так что и шиш получился рекордный.

На эти странности с отвесами можно было бы махнуть рукой. Но у запасливых гравиметристов есть ещё приборы похитрее: гравиметры, которыми измеряют силу тяжести. В результаты этих измерений, конечно, вносят расчётные поправки на поверхностные неоднородности. Рассуждают так: если бы этих неоднородностей не было, то на уровне моря гравитационная сила была бы везде одинакова… Но, раз уж неоднородности есть, то, вооружённые законом всемирного тяготения, будем рассчитывать их вклад и вычитать его из результатов измерений… Тогда, при правильных расчётах-учётах, будем получать ту самую, везде одинаковую гравитационную силу на уровне моря!.. Представляете, сколько было бы радости, если всё получалось бы именно так?! Увы, на практике всё совершенно иначе. Если продраться сквозь терминологические и методологические дебри, которые специально нагромоздили для запутывания непосвящённых, то фактическая картина оказывается вот какой. После внесения, в результат измерения, поправки на поверхностные неоднородности, итоговый результат отличается от той самой величины, везде одинаковой на уровне моря, как раз на значение внесённой поправки. То есть, если поправки на поверхностные неоднородности не вносить, то чистые измерения как раз и дают ту самую гравитационную силу, везде одинаковую на уровне моря. Проще всего это объяснить так: поверхностные неоднородности, хотя и существуют, не оказывают никакого воздействия на гравиметрические инструменты!

«Но это нас не устраивает, - прикидывали теоретики, - ведь любые два кусочка вещества… притягиваются друг к другу… с силой…» - ну, и так далее. Задача поначалу казалась неподъёмной: как такое может быть, что неоднородности на приборы действуют, а приборы их не замечают? Долго ли, коротко ли, но эту задачу решили, предложив остроумную гипотезу об изостазии. На общепонятном языке термин «изостазия» означает, что под поверхностными неоднородностями распределения масс находятся неоднородности противоположного знака, которые в точности компенсируют действие первых. Причём – повсеместно. Так, под горным массивом просто обязаны находиться залежи рыхлых пород. Ошибки недопустимы. Тысяча тонн меньше – недобор! Тысяча тонн больше – перебор!.. Ну, а под океанами обязаны залегать породы очень плотные. Океаны – они, похоже, только над плотными породами разливаться и способны. И, опять же, разливаются они не абы как: чем больше глубина океана, тем мощнее компенсирующие массы. Представляете, какая концентрация масс обязана быть под Марианской впадиной, чтобы обеспечивать изостазию в её районе? Жуть!

Вы, наверное, сейчас качаете головой и думаете, что мы напраслину несём, что изостазия – это какая-то шутка. Ничуть: учёные мужи говорят об изостазии с очень серьёзным выраженьем на лице. Не сорваться на хохот им помогает учение о том, что изостазия формируется за огромные промежутки времени, сравнимые с геологическими эпохами. Считается, что на таких промежутках времени даже твёрдые породы обладают некоторой текучестью. Вот, якобы, за миллиарды лет и выдавливают они друг друга – плотные рыхлых, а рыхлые плотных – формируя изостазию. И ведь не придерёшься – кто же располагает геоморфологическими и гравиметрическими данными за миллиарды лет? Впрочем, бывают же случаи, когда весьма сильные перераспределения поверхностных масс происходят за сроки, ничтожные по геологическим меркам. Например, это случается при катастрофических землетрясениях, когда за несколько минут ландшафт изменяется до неузнаваемости. Или при извержении подводного вулкана, когда за несколько суток наращивается подводная гора или даже новый остров. Или при разработке месторождений полезных ископаемых, когда за несколько лет из карьера выгребают и увозят миллионы тонн породы. Уж тут-то изостазия установиться не успеет, и гравиметрические инструменты, кажется, должны реагировать на эти изменения? Но – ничуть не бывало! Правда, об этом помалкивают. Кому нужны нездоровые научные сенсации? Подавай сенсации здоровые – вроде той, что астрономы пронаблюдали, как «чёрная дыра пожирает звезду», а в качестве доказательства представили видеоклип, состряпанный средствами компьютерной анимации. Или вроде того, как сейчас лихо составляются гравиметрические карты планет и даже астероидов. Очень это полезное дело – сплавить гравиметрические изыскания подальше от Земли. А то на Земле с ними так нахлебались, что и вспоминать стыдно. Была ведь мощная кампания по применению гравиметрических приборов – вариометров – для разведки полезных ископаемых. В некоторых случаях вариометры, действительно, указывали направление, в котором находились искомые залежи. Но эти случаи, в полном согласии с теорией вероятностей, происходили из-за того, что если прибор указывает направление совершенно случайно, то рано или поздно он укажет его правильно. Поэтому разработчики месторождений, конечно, принимали к сведению гравиметрические разведданные, а проходку-то вели по данным сейсмических и электромагнитных методов. Но, несмотря ни на что, идея оказалась невероятно живуча: до сих пор разные организации предлагают простакам услуги по гравиметрической разведке. Простаков хватает: мало кто знает, зачем понадобилась гипотеза об изостазии.