Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

• Название: Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
• Автор: Александр Петров
• Жанр: Физика
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-85099-190-6

В книге рассказывается о развитии представлений о тяготении за всю историю науки. В описании современного состояния гравитационной теории основное внимание уделено общей теории относительности, но рассказано и о других теориях. Обсуждаются формирование и строение черных дыр, генерация и перспективы детектирования гравитационных волн, эволюция Вселенной, начиная с Большого взрыва и заканчивая современной эпохой и возможными сценариями будущего. Представлены варианты развития гравитационной науки, как теоретические, так и наблюдательные.

---

Рис. 1.2. Аристотель

После смерти Платона Аристотель был приглашен македонским царем Филиппом для воспитания сына – 13-летнего Александра, будущего великого полководца.

Александр на всю жизнь сохранил любовь к своему учителю. После двора Филиппа Аристотель вернулся в Афины и создал там свою школу «Ликей», поскольку была она при храме Аполлона Ликейского (вспомните, что Пушкин учился в лицее, многие дети в наше время учатся в лицеях). Школа называлась перипатетической (от греч. peri-patos – прогулка), занятия проходили во время прогулок. Иногда утверждается, что он, как и все благородные греки, вел праздный образ жизни бездельника. Но на основе его записей еще при жизни было составлено 150 текстов (томов). До наших дней дошло 15 книг. Возникает вопрос: как нужно бездельничать, чтобы быть настолько продуктивным?

После смерти Александра Аристотель был обвинен в безбожии, покинул Афины и переселился в Халкис на Эвбее, где через несколько месяцев в возрасте 62 лет скончался от болезни желудка (есть предположение, что он принял яд). Именно Аристотелю принадлежит знаменитая фраза о том, что корень учения горек, а плоды его сладки. Когда ученого спросили, какую пользу он извлек из философии, ответ был таков: «Я стал добровольно делать то, что другие делают лишь из страха перед законом».

Аристотель создал первую универсальную философскую (научную) систему, которая включила в себя все достижения греческой науки во всех (и очень разных) областях предшествовавшего периода. Философия Аристотеля делится на теоретическую, практическую и творческую. Это была первая в истории попытка обобщить представления того времени о природе, обществе, мире в целом в единую систему. Часть этой системы, представленная в книге о природе (естествознании), называлась «Физикой» (от греч. physis – природа), что дало в дальнейшем название науке. Его научная парадигма просуществовала практически в неизменном виде до XVI века нашей эры, т. е. почти 1800 лет. Представления о Вселенной были частью этой системы.

Ограничимся обсуждением тех воззрений Аристотеля, которые как-то связаны с его представлениями о тяготении. Итак, развивая модель Евдокса, Аристотель усложнил систему подвижных сфер, увеличив их количество, для удовлетворительного описания всех наблюдаемых тогда перемещений небесных тел. Причем Аристотель считал сферы не условными объектами, а вполне осязаемыми, созданными из некоего прозрачного вещества – хрусталя. В системе Аристотеля Земля также шарообразна и жестко закреплена в центре Вселенной. Но Аристотель уже не только полагался на идеи о симметриях, а доказывал, что поверхность Земли сферична. Он ссылался на искривленность ее тени на поверхности Луны во время лунных затмений, на то, что при движении на север и на юг наблюдатель видит на небосклоне разные звезды. Сферичностью Земли объяснялось и исчезновение кораблей за линией горизонта. В своем научном методе исследования Аристотель, отвергая эксперимент и математические доказательства, полностью основывается на логическом анализе, следуя в этом смысле методу Платона, своего учителя.

Важную, если не решающую, роль в механике Аристотеля играли понятия естественного местоположения и естественного движения. Следуя взглядам Эмпедокла (около 490–430 г. до н. э.), Аристотель считал, что все тела состоят из четырех основных элементов: воздуха, земли, огня и воды. Земля считалась абсолютно тяжелой, огонь – абсолютно легким, а вода и воздух занимали промежуточное положение. Естественным местоположением самого тяжелого элемента считался центр Земли – геометрический центр мира. Следовательно, естественным движением всех тел, состоящих из этого элемента, должно было быть движение по направлению к центру Земли (падение вниз). Это соответствовало и повседневным наблюдениям. Поэтому, хотя тяготение и не выделялось как специальное понятие, оно, конечно, в системе Аристотеля присутствовало.

Кроме понятия естественного движения у Аристотеля было понятие и неестественного, т. е. вынужденного или насильственного, движения. К таковым можно отнести движение стрелы, брошенного камня, повозки, которую тянут лошади, и т. д. Так, считалось, что движение свободного снаряда начинается под действием силы и продолжается до тех пор, пока это действие сохраняется. Предлагалась модель передачи этого воздействия через слои воздуха во время движения объекта. Как только действие силы прекращается, тело начинает двигаться к своему естественному местоположению – центру Земли. Эти утверждения находились в рамках всей философской системы мироздания Аристотеля. Их смысл в том, что любое подвижное бытие нуждается в некой внешней действующей причине, которой объясняется его происхождение и дальнейшее существование. Это касается и всей Вселенной, которая пребывает в вечном движении. Но тогда, следуя логике, необходимо признать существование первого неподвижного двигателя (перводвигателя), не подверженного изменению.

Естественные движения в окрестности Земли, как предполагалось, были обусловлены «внутренними» свойствами тел, которыми могут быть как тяжесть («гравитация», от лат. gravitas – тяжесть), так и легкость («левитация»). Каждое из этих свойств вызывает перемещения тел вниз или вверх.

В рамках системы Аристотеля тела одинаковых размеров, формы и веса должны падать с одинаковой скоростью, поскольку на них действуют те же самые силы гравитации (сопротивление также учитывается – оно одинаково для такого мысленного опыта). С другой стороны, если два тела, имеют одинаковые форму и размеры, но разный вес, то тяжелое тело должно падать быстрее, поскольку при равном сопротивлении сила тяготения, действующая на предмет большего веса, должна быть больше. Ускорение падающих тел объяснялось увеличением тяжести тела по мере приближения к своему естественному местоположению. Значительно позднее Галилей установил ошибочность этих утверждений.

Другим важным, но тоже ошибочным выводом механики Аристотеля, является то, что все тела вблизи Земли должны двигаться по прямым линиям. Это относится как к естественному, так и к вынужденному движениям. Чтобы поставить под сомнение это положение нет необходимости проводить специальные исследования. Повседневный опыт, кажется, с очевидностью опровергает его. По Аристотелю стрела, пущенная под некоторым углом к горизонту, должна двигаться по прямой до тех пор, пока не истощится сила, передаваемая ей тетивой, затем она должна падать вертикально вниз. Траектория должна быть ломаной, состоящей из двух прямых линий (рис. 1.3). Но этого никто никогда не наблюдал. Такой эксперимент показал бы несостоятельность теории движения Аристотеля. Однако, как его научный авторитет, так и стройная система его научных взглядов оказались более убедительными.

Рис. 1.3. Траектории стрелы в теории Аристотеля (а) и реальные: при сопротивлении воздуха (б) и без сопротивления воздуха (в)

Подведем некоторый итог. С одной стороны, с современной позитивистской точки зрения представления Аристотеля о законах тяготения ошибочны, они не соответствуют эмпирическим данным. С другой стороны, не будем очень строги. Это было самое начало попыток понять, как устроен мир, а вместе с этим – что есть тяготение. Были введены некоторые базисные понятия, оперируя которыми уже можно на научном уровне того времени исследовать явление. Центр Вселенной (он же центр Земли) был определен как центр притяжения. Падающие на Землю тела были наделены внутренним свойством «тяжесть». Пройдет время, и осмысление, переосмысление и развитие этих понятий приведет к закону всемирного тяготения Ньютона и теории относительности Эйнштейна.

Что касается небесных тел, то в механике Аристотеля считалось, что все они отделены от Земли и не имеют с ней ничего общего. На Земле четыре основных элемента претерпевают непрерывные взаимопревращения, тела могут состоять из различных сочетаний основных элементов. Различные предметы возникают, какое-то время существуют, а затем видоизменяются, распадаются, исчезают. На небе же ничто не меняется. Отсюда делается вывод, что существует пятый, неизменный и идеальный элемент – эфир, из которого и состоят небесные тела. Вакуум, пространство без какого-либо вещества, был недопустим в системе Аристотеля.

Расстояния до небесных тел не были известны во времена Аристотеля. Сам он считал, что нет возможности их вычислить. Тем не менее, сфера за сферой были выстроены вполне однозначным образом (рис. 1.1). Прямым способом вычисления расстояния могло бы служить использование параллакса объекта (рис. 1.4). Горизонтальным параллаксом называют угол между двумя направлениями от светила на центр Земли и по касательной к ней. С Земли этот угол определяется как разность угловых координат светила на небе для двух наблюдателей, для одного из которых светило в зените, а для другого – на горизонте. Поскольку в то время радиус Земли был уже известен, можно было вычислить расстояние до объекта. Впервые применил метод параллакса в астрономии древнегреческий ученый Гиппарх (около 180–125 г. до н. э.) для определения расстояния до Луны, которое стало известным чрезвычайно точно. Причем для вычисления параллакса Луны он использовал разность ее угловых координат на восходе и закате. Измерить расстояния до других планет стало возможным только после начала использования в астрономии телескопов. Хотя опосредованным методом Гиппарх сделал оценки расстояния до Солнца, а также приблизительно определил его размеры.