Тяготение в элементарном смысле

Тяготение в элементарном смысле

Механика так плотно окружает нас со всех сторон, что мы ее не замечаем, как не замечаем воздуха, которым дышим, и воды, которая попадает в организм с пищей. Но будь мы повнимательнее, мы быстро догадались бы, что без механики у человека единственная перспектива — одичать. Пожалуй, нет средства более надежного — превратить современного Homo sapiens (человека разумного) в питекантропа, чем запретить ему пользоваться орудиями механики.

Завязываем ли мы шнурки, застегиваем ли пуговицы, пропускаем ли мясо через мясорубку или вколачиваем гвоздь в стену — во всех случаях мы имеем дело с механическими машинами, во всех случаях вызываем силы и управляем ими.

Неважно, что машины разной сложности. Конечно, шнурки или пуговицу в петле не сравнить с пылесосом и стиральной машиной, но и там и тут производится преобразование сил, и то и это является различными формами механических машин.

Присмотримся к силам той механики, которая доступна нашему взору. Если бы мы стали их классифицировать и записывать, у нас быстро появился бы целый список. Здесь окажутся силы упругости, то есть те, что стремятся вернуть телу его прежние размеры и форму (спиральная сбивалка для яиц, щетина платяной щетки, сжатая часовая пружина); силы, действующие между соприкасающимися телами, в первую очередь силы контактных напряжений и силы трения; силы, обязанные своим происхождением давлениям в жидкостях и газах (предметы, плавающие на воде, пульверизатор, подпрыгивающая крышка кастрюли, в которой кипит вода, надутая камера велосипеда); бесчисленные проявления силы тяжести — падающие тела, вес.

Получается длинный список, но если бы мы глубоко над ним задумались, то увидели бы, что один вид этих сил резко отличается от всех других. Это силы тяжести. Они единственные, которые:

всегда глядят в одну и ту же точку — в центр Земли;

не требуют для своего проявления никаких внешних вмешательств, кроме как физического помещения в той или иной точке пространства носителя этой силы — тела, точнее, тела, интересующего нас как объект действия силы тяжести. Величина силы тяжести пропорциональна массе, а это, как мы видели, ведет к свободному падению всех тел с одним и тем же ускорением, равным g.

Другие механические силы как будто и различаются между собой, но, по мере того как постепенно выяснялась структура вещества, становилось все яснее, что они все связаны с этой структурой и могут быть объяснены одинаково. Так как вещество состоит из молекул, все механические силы негравитационного (гравитация — тяготение) происхождения являются в конечном счете следствием сил, действующих между молекулами.

А между молекулами действуют главным образом силы электромагнитной природы (в частности, открытые в конце XVIII века Огюстом Кулоном и называемые сейчас кулоновскими или электростатическими). Поэтому можно сказать, что механика Ньютона имеет дело всего с двумя видами сил: гравитационными и электромагнитными.

О существовании второго вида сил в механических процессах Ньютон не догадывался, зато еще в двадцатитрехлетнем возрасте он сделал гениальное открытие в области гравитации — открытие так называемого закона всемирного тяготения.

Исследуя движение планет и обратив внимание на то, что Земля ведет себя как магнит, Ньютон задался вопросом: а не являются ли и Солнце, и Луна, и все другие планеты тоже магнитами, удерживающимися на своих орбитах благодаря взаимному притяжению?

На вопрос этот он ответил отрицательно. Он сказал, что Солнце очень горячо, а если магнит нагреть до высокой температуры, то его магнитные свойства исчезают. Видимо, здесь действуют совсем иные причины, и в конце концов он сформулировал свой вывод так:

Всякие два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

То есть если масса одного тела увеличится, скажем, вдвое, то сила взаимного притяжения обоих тел немедленно возрастет вдвое. Уменьшится в три раза против прежнего расстояние между телами — сила притяжения тотчас возрастет в девять раз.

Нужно сказать, что масса, о которой здесь говорится, это не та физическая величина, что рассматривалась нами при обсуждении второго закона Ньютона. Ту величину точнее следует называть инертной массой, а эту — гравитационной массой. Но один из замечательных законов физики заключается в том, что обе массы равны друг другу. Мы, не говоря об этом, уже пользовались названным законом, пользовались, когда выясняли, почему все тела падают с одинаковым ускорением.

Предельная простота и точность закона тяготения поразительны. Он всегда подтверждается на практике и дает возможность узнавать величину сил тяготения, возникающих между любыми парами материальных тел — от земных предметов до планет и звезд.

Пользуясь этим законом, можно подсчитать, например, что сила притяжения между Землей и Луной равна приблизительно 2?10²⁰ ньютонов (или в старых единицах — 2?10¹⁹ килограмм-сил), а между Землей и Солнцем — примерно 3,6?10²² ньютонов (3,6?10²¹ килограмм-сил).

Все в законе всемирного тяготения Ньютона могло удовлетворить требовательного исследователя — лаконичность, строгость, универсальность (он объяснял самый широкий круг явлений: от движения планет до морских приливов и падения свободных тел на Землю — все, кроме одного: он не объяснял самой природы тяготения). Если бы тяготение было просто магнетизмом, можно было бы думать, что знаешь о причинах притяжения разных тел: магнетизм был известен раньше, знали также, что и сила притяжения двух магнитных полюсов резко увеличивается с уменьшением расстояния между ними. Что же такое тяготение, каковы причины этой силы?

Сам Ньютон с присущей ему честностью говорил:

«До сих пор я изъяснял небесные явления и морские приливы на основании силы тяготения… Причину свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю… Довольно того, что тяготение на самом деле существует».

Таким образом, получается как будто бы так: что-то объяснив, Ньютон тут же поставил новую большую проблему; решив одну загадку, он тут же расписался в непонимании загадки более широкой, общей.

Похоже, как в том, довольно злом, но в общем-то не обидном анекдоте, где профессор радостно сообщает своему больному:

— А у меня для вас интересные новости. Мы считали все время, что вы заболели от контактов с каким-то другим больным. Но сейчас науке удалось установить, что от обыкновенных контактов инфекция вашей болезни не передается. Мы можем наконец уверенно сказать, что не знаем, от чего вы заболели.

Не нужно, однако, переоценивать загадочность этой «загадки» — «что такое тяготение?». Правильнее, вероятно, не пытаться обязательно свести тяготение к чему-то другому, более фундаментальному, а принять, что существование гравитационного поля (поля тяжести) само есть один из наиболее фундаментальных физических фактов.

Многим кажется удивительным, как же это Луна не падает на Землю, почему не падают на Землю под влиянием всемирного тяготения искусственные спутники? А ответ прост: они падают! Спутники падают, причем почти с тем же именно ускорением, с каким падают вниз на нашей планете все тела: с ускорением g = 9,8 м/сек². Вспомните о круговом движении: если бы не было постоянного падения, тело сошло бы с орбиты и по касательной к ней улетело в мировое пространство.

Ученые в своих расчетах при выводе спутников на орбиту исходят именно из величины g, чтобы выяснить, какую скорость надо придать спутнику. Оказывается, 8 км/сек. Это постоянная величина для нашей планеты, и она имеет специальное название: первая космическая скорость.

Но что означает здесь слово «первая»? Разве есть и вторая космическая скорость? Да, есть. Она равна приблизительно 11,2 км/сек. Если выстрелить ракетой с такой начальной скоростью, то она навсегда покинет окрестности нашей планеты, превратится в искусственный спутник Солнца.

Многое, очень многое подсчитывается по законам Ньютона — трем законам движения и закону всемирного тяготения. И все же сегодня мы обязаны сказать: очень многое, но не все. Явившись высоким уточнением прежних представлений о движении, механика Ньютона, в свою очередь, тоже несла в себе свое ограничение, свои пределы применения.

Весьма важно, и это, собственно, является завершающей частью всякого исследования, четко определить, до каких границ был сделан вывод, какой объем, какую сферу охватила данная теория.

Поговорим об этом. Посмотрим, что охватила Ньютонова механика и в чем заключается ее ограниченность.

Однако прежде мы должны сказать несколько слов о «четвертом титане» физики и космологии — Альберте Эйнштейне (помните? Аристотель, Галилей, Ньютон, Эйнштейн). Ведь это он раздвинул галилее-ньютоновские границы познаваемого мира, он первый показал ограниченность механики, созданной Ньютоном.