Помоги проекту - поделись книгой:
Не является фантастическим и предположение о возможности захвата крупного метеорита земным притяжением.
Пролетая по своему вековечному пути вблизи Земли, задев, пронизав вскользь ее атмосферу, такой метеорит потеряет благодаря трению часть своей скорости. Притяжение Земли изменит его траекторию, круто изогнет ее и сомкнет ее ветви в виде вытянутого эллипса. Однако часть этого эллипса неизбежно будет проходить через атмосферу. При каждом таком проходе метеорит будет замедлять свою скорость, эллипс будет становиться все менее вытянутым, все более приближающимся к кругу. А затем потерявшее свою скорость космическое тело попадет в более плотные слои атмосферы и сгорит в них. «Очередной метеор», — скажут наблюдатели с Земли, любовавшиеся яркой полоской, перечеркнувшей черный полог неба.
На какой высоте над Землей может двигаться космическое тело без опасения, что скорость его затормозится о воздух и ему суждено будет упасть на Землю? Точно ответить на этот вопрос пока невозможно, хотя для ученых знать это и очень важно. Ведь в ближайшее время будут запущены в высотные слои атмосферы первые искусственные спутники Земли, и знать время, в течение которого они смогут там находиться, просто необходимо.
Можно предположить, что на высоте свыше 1000 километров искусственный спутник сможет обращаться практически неограниченное время. На высоте в 300–350 километров он будет держаться в течение нескольких недель. А для того чтобы обращаться вокруг Земли на высоте в 120–150 километров, необходимо поддерживать скорость спутника периодическим включением реактивного двигателя.
Ближайшее будущее покажет, насколько правильным был этот прогноз, насколько трудна борьба с сопротивлением воздуха, вступившим в союз с земным притяжением.
Земное притяжение — одно из проявлений закона всемирного тяготения. Эта сила с железной неумолимостью проявляет себя повсюду. Нет на земном шаре места, где бы мы не могли заметить ее проявления. Нет во вселенной места, где бы ее вековечным законам не подчинялась материя. От этой силы нельзя заслониться никаким экраном. От нее нельзя убежать: с расстоянием она слабеет, но никогда не исчезает совсем.
По поверхности земных материков текут реки. Они всегда неизбежно стекают с гор и устремляются в низины — к морям и океанам. Существует даже крылатое выражение: «реки вспять не текут». Не текут потому, что их течение сверху вниз направляет земное тяготение.
Земной шар окружает легкая воздушная оболочка — многослойная смесь нескольких газов, атмосфера. В ее различных слоях часто происходят взаимные перемещения, вызывающие ветер, бурю, ураган. Эти перемещения происходят не только в горизонтальных направлениях, но и в вертикальном. Но никогда устремившаяся вверх от Земли воздушная волна не покинет земного шара. Ее движение постепенно замедляется, направление искривляется, и она возвращается, успокоенная, в родной воздушный океан. Задержала этот воздушный поток та же сила, которая удерживает толстый слой легких летучих газов над поверхностью Земли, — сила тяготения.
Человек очень давно заметил эту силу и начал ее использовать. Еще в древнем Риме существовали самотечные водопроводы: поднятая на возвышенное место вода под влиянием силы тяжести растекалась по трубам городского водопровода. Очень давно были известны песочные часы, в которых тонкая струйка песка, проходя сквозь узкое отверстие, насыпала холмик; уровень песка в верхнем сосуде заменял стрелку наших часов.
Но, догадываясь о существовании этой силы, человек очень долго не мог ее объяснить. Первым это сделал великий английский ученый Исаак Ньютон.
Всем известна легенда о том, что Ньютон открыл закон всемирного тяготения, наблюдая за падением яблока. Рассказывают, что ученый сам придумал этот эпизод, отбиваясь от любопытных. Действительно, закон, известный сейчас каждому школьнику VII класса, кажется таким очевидным, что непонятно, как о его существовании не догадывались раньше. Между тем эта простота только кажущаяся. Нужен был гений Архимеда, чтобы рассчитать потерю в весе у тела, погруженного в жидкость, и гений Ньютона, чтобы открыть закон всемирного тяготения.
Закон всемирного тяготения гласит, что все материальные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Ньютон начал применять закон тяготения к самым различным явлениям. Он смело распространил его действие на всю известную вселенную. И оказалось, что этот закон одинаково справедлив не только на поверхности Земли, но и в небесных просторах.
За 60–70 лет до Ньютона великий немецкий ученый Иоганн Кеплер открыл основные законы движения планет вокруг Солнца. Их также знает сейчас каждый школьник. Но тогда они еще не были обоснованы. Да, планеты двигаются именно так, как должны были двигаться по этим законам, но почему они движутся так, никто объяснить не мог.
Ньютон доказал, что их движение определяется всемирным тяготением, и вывел, исходя из этого утверждения, все формулы Кеплера.
Блестящим подтверждением справедливости закона всемирного тяготения было открытие планеты Нептун. Ученые давно заметили, что планета Уран на некоторых участках своего пути вокруг Солнца, пути, строго предопределенного законом всемирного тяготения, начинала проявлять какие-то неправильности в своем движении. Она то замедляла без всякой видимой причины свой бег среди светил, то вдруг, словно кто-то начинал усиленно тащить ее вперед, ускоряла движение. Раздумывая над этим явлением, русский астроном Лексель в конце XVIII века пришел к убеждению, что за Ураном находится еще какая-то неизвестная планета, воздействующая на него своим притяжением. В 1846 году французский ученый Леверрье вычислил местоположение новой планеты на небесном своде. И она вскоре была обнаружена астрономами.
Таковы были знания о всемирном тяготении в те времена, когда был написан роман «В погоне за метеором». Поистине огромную смелость надо было иметь, чтобы просто фантазировать об управлении этой могучей силой, о природе и происхождении которой не существовало даже гипотез.
Ну, а сегодня приблизились ли мы к познанию этой силы? Можно ли управлять всемирным тяготением?
Классическая теория всемирного тяготения Ньютона казалась непогрешимой. Однако со временем начали накапливаться факты, которые никак нельзя было объяснить, опираясь только на закон всемирного тяготения Ньютона. К числу их относится так называемый парадокс Зеелигера. Сущность его заключается в следующем.
Вселенная бесконечна и во времени и в пространстве. Просторы вселенной более или менее наполнены материальными телами, то есть вселенная имеет какую-то среднюю плотность материи. Зеелигер решил попробовать определить силу тяготения, создаваемую массой всей бесконечной вселенной в ее какой-нибудь точке, используя закон Ньютона.
И вот, применив формулу, выражающую этот закон, произведя соответствующие преобразования, Зеелигер получил, что сила тяготения в случае постоянной плотности вещества во вселенной пропорциональна радиусу вселенной, а раз он бесконечно большой, ибо вселенная не может иметь конца в пространстве, то и сила всемирного тяготения в каждой точке вселенной должна быть бесконечно большой. Однако практически мы этого не наблюдаем. Так, значит, закон всемирного тяготения несправедлив в масштабах всей вселенной?
Было высказано много разнообразных предположений для объяснения этого кажущегося противоречия. Первое, напрашивающееся само собой, — это то, что плотность распределения материи убывает с расстоянием и где-то очень далеко материи нет совсем. Представить себе это — значит допустить возможность существования пространства без материи; но это абсурд: ведь пространство можно мыслить только как форму существования материи. Следовательно, приведенное объяснение парадокса Зеелигера не выдерживает никакой критики.
Кроме парадокса Зеелигера, ученые обнаружили и другие явления, для которых выводы теории всемирного тяготения не вполне точно соответствовали данным практических наблюдений и опытов.
Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце, — этот закон сформулировал Кеплер и подтвердил на основе закона всемирного тяготения Ньютон. Точные вычисления показали, что перигелии — наиболее близкие к Солнцу точки планетных эллипсов — должны со временем смещаться в направлении обращения планет. Для Меркурия, согласно вычислениям, это смещение должно было быть равно 531 угловой секунде за 100 лет. Между тем наблюдения астрономов показали, что это вековое смещение составляет 573 угловые секунды.
Откуда же берутся дополнительные 42 секунды?
В физике очень часто употребляется понятие «поле» — область действия какой-либо силы или явления. Поле характеризует также величину и направление действия этой силы в любой точке. Могут быть, например, электрические, магнитные поля, поля тяготения и т. д.
Мы знаем, что свет, представляющий собой электромагнитное поле, распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секунду.
А поле тяготения? С какой скоростью распространяется оно? Со скоростью звука — 330 метров в секунду, или со скоростью света — 300 тысяч километров в секунду, или же с какой-либо другой скоростью?
Раньше считали, что тела, притягиваясь друг к другу, непосредственно влияют друг на друга без участия промежуточной среды. Между тем, базируясь на материалистических позициях, нельзя представить себе такого взаимодействия «через ничто». Данные современной науки подтвердили, что передача всякого физического процесса может происходить только непосредственно от одной точки к другой, соседней, от одного места к другому, соседнему, то есть неизбежно существует взаимная последовательность причин и следствий как во времени, так и в пространстве. Из этого следует вывод, что и сила тяготения, поле тяготения не распространяется мгновенно, а имеет конечную конкретную скорость распространения.
Нужна была новая теория, которая бы учла эти положения. Основы такого нового понимания, опираясь на геометрию Лобачевского и Римана, заложил в 1905–1915 годах в своей специальной и общей теории относительности гениальный ученый Альберт Эйнштейн.
Невозможно в короткой статье изложить общую теорию относительности, в основном математическую теорию, физическим смыслом которой не очень интересовался и сам Эйнштейн, считавший, что задача ученого — только описывать явления, а не объяснять их.
Многие выводы общей теории относительности нашли блестящее подтверждение в опытах и наблюдениях ученых. Так, согласно этой теории, луч света, находясь в сильном поле тяготения, должен искривлять свою траекторию подобно тому, как под действием тяготения Земли искривляется траектория камня, брошенного параллельно ее поверхности. Ведь луч света, так же как и камень, обладает массой. Правда, его масса очень мала, а скорость движения очень велика. Значит, чтобы обнаружить искривление его траектории, надо иметь очень сильное поле тяготения. Но и такое поле тяготения имеется в природе — это поле тяготения нашего Солнца.
В 1919 году впервые был поставлен опыт для проверки этого «эффекта Эйнштейна». Во время солнечного затмения 29 мая 1919 года были сфотографированы звезды, находящиеся около Солнца. Этот же участок звездного неба сфотографировали в другой раз, когда Солнце ушло далеко от него. Снимки наложили, и звезды на них не совпали друг с другом. Могучее притяжение Солнца искривило лучи света, и на первом снимке звезды оказались как бы сдвинутыми со своих истинных положений. Величина этого смещения, по данным восьми независимых определений, сделанных в 1919–1952 годах, с большой точностью совпадает с величиной, предсказанной теорией относительности.
Общая теория относительности позволила объяснить неправильность в движении перигелия Меркурия, найти причину появления тех 42-х лишних угловых секунд смещения, которые так долго смущали астрономов.
Ну, а можно ли объяснить чисто физически, почему тела притягиваются друг к другу, объяснить самый механизм их притяжения? Ведь, зная этот механизм, можно будет найти способы управления им — осуществить изобретение Зефирена Ксирдаля, о сущности которого так туманно рассказывает Жюль Верн.
Нам кажется, что в настоящее время, когда довольно подробно разработаны квантовые теории света и электромагнитного поля, а результаты теоретических вычислений подтвердились опытом, можно предпринять попытку создать квантовую теорию поля тяготения. Можно сделать предположение о существовании элементарных частиц, «порций» тяготения, так называемых гравитонов, самопроизвольно испускаемых всеми телами. При этом следует предположить, что, во-первых, интенсивность излучения гравитонов телом прямо пропорциональна его массе, так же как интенсивность излучения квантов света, или, проще, светимость раскаленного тела, тем больше, чем выше его температура; что, во-вторых, интенсивность излучения гравитонов телом пропорциональна ускорению, вызываемому действием другого тела; и что, в-третьих, интенсивность испускания гравитонов каждой единицей массы зависит от напряженности внешнего поля тяготения, так же как скорость истечения продуктов горения в среду зависит от давления газов в этой среде.
Представим себе такую гидродинамическую модель: две трубки, открытые с обоих концов, установлены так, что отверстия их находятся на некотором расстоянии друг от друга. В обеих трубках горит взрывчатое вещество, и газы горения устремляются в оба отверстия обеих трубок.
На первый взгляд кажется, что трубки будут отталкиваться друг от друга струями газов. Однако происходит обратное: трубки сближаются. Дело в том, что между ними возникает область повышенного давления, истечение в нее уменьшается, и реактивная сила струй, вырывающихся в противоположные отверстия, сближает трубки.
Теперь представим себе два тела, излучающие во все стороны гравитоны. Напряженность гравитационного поля между этими телами будет, конечно, больше, чем по сторонам, и излучение гравитонов из обоих тел в сторону этого наиболее напряженного поля будет меньше, чем в другие стороны. Реактивное действие гравитонов, выбрасываемых в противоположных направлениях, и толкает, притягивает тела друг к другу.
Но на сближавшиеся в пашем опыте трубки, помимо реактивных сил, действовала расталкивающая их сила повышенного давления между сближавшимися отверстиями трубок. Такая же сила отталкивания существует и в случае притяжения двух тел друг к другу, но только эта сила, как показывают расчеты, неизмеримо меньше сил притяжения. Однако если представить себе вещество очень большой, не существующей в природе плотности порядка 1019 г/см3 (то есть 10 миллиардов тонн в кубическом сантиметре), то напряженность и давление гравитационного поля вокруг таких тел будут столь велики, что силы отталкивания станут соизмеримы с силами притяжения. А вещество большей плотности представить себе уже невозможно: оно будет само рассыпаться, и куски его будут не притягиваться, а отталкиваться друг от друга.
Поскольку поле тяготения обладает энергией, а значит, и массой, тела, испуская гравитоны, теряют массу и энергию. В свою очередь можно полагать, что два гравитона, сталкиваясь, могут образовать пару частиц, например, электрон и позитрон. Однако для того, чтобы два гравитона породили при столкновении две частицы или, наоборот, чтобы при взаимодействии частиц увеличилось число гравитонов, необходимы огромные начальные энергии, недостижимые даже в космических лучах. Если обычная ядерная энергия дает на 1 грамм вещества около 1021 эргов, то для получения искусственных гравитонов необходимо добиться несравненно большей энергии. Этого можно достичь, только разогнав тот же самый грамм вещества до скорости, почти не отличающейся от скорости света, что в настоящее время в земных условиях невозможно.
Однако эта концепция, по-видимому, может дать ответ на вопрос, почему сила тяжести убывает с расстоянием быстрее, чем обратно пропорционально квадрату расстояния, — гравитоны «по пути» превращаются в другие элементарные частицы. Этим, видимо, и может объясняться знаменитый, причинивший столько неприятностей ученым парадокс Зеелигера.
Гидродинамическая теория тяготения не стремится заменить собой теорию гравитационного поля Эйнштейна, на которую она в ряде случаев опирается. Но она позволяет более отчетливо представить природу тяготения. Формулы и выводы, получаемые на основании этой теории, еще точнее определяют действительную картину мира, чем формулы и выводы теории поля Эйнштейна. Они, в частности, учитывают силы отталкивания между телами, чего не дают формулы Эйнштейна.
Физика в наше время развивается с поистине фантастической скоростью. Бесспорно, самые ближайшие годы принесут нам новые сведения о природе всемирного тяготения, о природе гравитона — элементарной частицы поля тяготения, подобно тому, как фотон является элементарной частицей луча света.
И тогда, может быть, настанет время, когда человек сможет управлять полем тяготения, сможет создать невесомые летательные аппараты, будет направлять по своему желанию бег небесных тел.
Поделиться книгой: