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.

---

О. Х. Деревенский Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения

«За всю историю человечества не было ни одного случая нарушения закона всемирного тяготения».

(Из сборника «Шутки больших учёных»)

Идея о всемирном тяготении – это великая идея. За триста лет она очень неплохо прижилась в физике. Ух, как учёные любят такие идеи – с претензиями на вселенский охват явлений! Чем идея глобальнее, тем больше её психологическая привлекательность. Ведь глобальность идеи подсознательно ассоциируется с глобальностью мышления её сторонников. Усомниться в идее о всемирном тяготении означает – ни много, ни мало – усомниться в качестве традиционного физического мышления! Вот почему эта идея обладает мощным механизмом самосохранения, который обеспечивает иммунитет даже против вопиющих фактов, которые в эту идею не укладываются. Это – присказка, а сказка будет впереди.

Перед тем, как закон всемирного тяготения был открыт, у него была ещё предыстория. Понимаете, какое дело: наука строится только на фактах. И, поскольку никакой технической документации по сотворению физического мира не отыскалось, современная наука полагает, что этот дивный мир возник и устаканился сам собой. «До того, как что-нибудь было, - говорит она, - ничего не было. Ни тебе пространства, ни времени, ни тебе полей, ни частиц. Была только мерзость запустения и одна-одинёшенька сингулярность на этой мерзости – как бы вечная и как бы бесконечная. Была она себе, была, никого не трогала…» И вдруг случился с ней казус, который по-научному называется «первотолчок». С непривычки бабахнула сингулярность так, что из неё потекло и посыпалось всё сразу: и время, и пространство, и поля, и частицы. По мере того, как молодая и горячая Вселенная остывала на лету, расширяясь в запространственные дали, потихоньку-полегоньку утряслись сами собою физические законы, в том числе и закон всемирного тяготения. Вот теперь оставалось только открыть его…

Тик-так, тик-так!.. Долго ли, коротко ли, но – свершилось-таки! Причём, исторически сложилось так, что Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения в том же самом труде – «Математических началах натуральной философии» - в котором, несколько выше, он сформулировал свои знаменитые три закона механики. Третий закон Ньютона гласит: «Действие равно противодействию», т.е. если тело А действует на тело В с некоторой силой, то и тело В действует на тело А с силой, такой же по величине и противоположной по направлению. Если считать, что третий закон Ньютона работает и для случая тяготения, то просто неизбежен вывод о том, что любые два кусочка вещества притягивают друг друга. Этот вывод не противоречил известным во времена Ньютона явлениям: движению планет вокруг Солнца, движению комет, движению, в первом приближении, Луны вокруг Земли, и, наконец, падению малых тел на Землю. Проанализировав эти явления, Ньютон нашёл математическое выражение, описывающее закон всемирного тяготения: сила взаимного притяжения любых двух малых кусочков вещества прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. «Малыми» считаются такие кусочки, размеры которых много меньше расстояния между ними. Например, в масштабах Солнечной системы, Солнце и планеты можно считать такими «малыми кусочками». Если же рассматривается падение камешка на Землю, то, строго говоря, следует мысленно разбить Землю на малые кусочки и суммировать притяжение камешка к каждому из них.

Но не всё было так стройно и последовательно, как кажется на первый взгляд. Хорошо применять третий закон Ньютона, скажем, для случая столкновения двух тел: очевидно, что они ударяют друг по другу, приходя в физический контакт. Но тяготение-то действует на расстоянии! И возникает мучительный вопрос – каким же это образом тело А действует на далёкое тело В, которое, в свою очередь, из того же далёка отвечает взаимностью?

Те, кто ломали головы над этой проблемой, обычно приходили к мысли о том, что разнесённые в пространстве тела А и В притягивают друг друга не потому, что действуют друг на друга непосредственно, а потому, что работает некоторый посреднический механизм. Вот на что обратим внимание: каков бы ни был этот посредник, допущение о его существовании означает допущение нарушения третьего закона Ньютона. Смотрите: пусть тело А сдвинется в пространстве, так что изменится расстояние между ним и телом В. Соответствующие изменения сил, действующих на оба тела, происходили бы мгновенно при их непосредственном взаимодействии, но при наличии посредника это изменение должно происходить с некоторым запаздыванием. В течение того промежутка времени, пока не установились новые «правильные» значения сил, могут произойти разного рода пертурбации – вплоть до того, например, что тело В может быть уничтожено. Интересная возникнет ситуация: тела В уже нет, а прежняя сила на тело А всё ещё действует.

Впрочем, эта интересная ситуация не возникнет, если запаздывания ничтожны, т.е. скорость действия тяготения очень велика. Кстати, мало кто знает: в уравнениях небесной механики скорость действия тяготения тупо принимается бесконечной – и как раз такие уравнения прекрасно работают на астрономических масштабах, например, чудненько описывают движение планет вокруг Солнца! Но это всё-таки косвенное свидетельство. А известны ли какие-нибудь экспериментальные данные о скорости действия тяготения? Конечно, известны: этим вопросом занимался ещё Лаплас в XVII веке. Он сделал вывод о скорости действия тяготения, проанализировав известные на то время данные о движении Луны и планет. Идея заключалась вот в чём. Орбиты Луны и планет не являются круговыми: расстояния между Луной и Землёй, а также между планетами и Солнцем, непрерывно изменяются. Если соответствующие изменения сил тяготения происходили бы с запаздываниями, то орбиты эволюционировали бы. Но многовековые астрономические наблюдения свидетельствовали о том, что если даже такие эволюции орбит происходят, то их результаты ничтожны. Отсюда Лаплас получил нижнее ограничение на скорость действия тяготения: это нижнее ограничение оказалось больше скорости света в вакууме на 7 (семь) порядков. Ничего себе, правда?

И это был лишь первый шажок. Современные технические средства дают ещё более впечатляющий результат! Так, Ван Фландерн говорит об эксперименте, в котором, на некотором интервале времени, принимались последовательности импульсов от пульсаров, расположенных в различных местах небесной сферы – и все эти данные обрабатывались совместно. По сдвигам частот повторения импульсов определяли текущий вектор скорости Земли. Беря производную этого вектора по времени, получали текущий вектор ускорения Земли. Оказалось, что компонента этого вектора, обусловленная притяжением к Солнцу, направлена не к центру мгновенного видимого положения Солнца, а к центру его мгновенного истинного положения. Свет испытывает боковой снос (аберрацию по Брэдли), а тяготение – нет! По результатам этого эксперимента, нижнее ограничение на скорость действия тяготения превышает скорость света в вакууме уже на 11 порядков.

Это называется «с каждым днём – всё радостнее жить!» Вышеназванные результаты, во-первых, Лапласа, и, во-вторых, специалистов по пульсарам, никто не оспорил – да и как это оспоришь? Но тогда следует отбросить, как неподходящих, тех гипотетических посредников в гравитационном взаимодействии, скорость действия которых ограничена величиной скорости света в вакууме. Речь идёт, в первую очередь, об «искривлениях пространства-времени»: считается, что локальные возмущения этих искривлений – так называемые гравитационные волны – передвигаются как раз со скоростью света. Именно в расчёте на эту скорость гравитационных волн разрабатывались их детекторы, начиная с цилиндрических болванок Вебера. Всё тщетно! А ведь наверняка идеологи этой ловли гравитационных волн читали труды Лапласа. И тогда ситуация напоминает анекдот про пьяненького гражданина, который искал рубль не на том тёмном месте, где его обронил, а под фонарным столбом – потому что «тут светлее».

Теория – она, конечно, нам путь освещает. Но ведь и факты, как говорится – упрямая вещь. Скорость, которая на 11 порядков больше скорости света в вакууме – это нечто трудно вообразимое. Свет, двигаясь со скоростью триста тысяч километров в секунду, пробегает расстояние от Солнца до Земли за восемь с небольшим минут. Восемь минут – это представимо. За восемь минут можно много чего сделать. Но при скорости, на 11 порядков большей, речь шла бы не о восьми минутах, а о пяти наносекундах. Что можно сделать за пять наносекунд? Как может быть устроен посредник, по которому возмущение бежит с такой скоростью, что задержка во времени практически неощутима даже при астрономических расстояниях?