Гравитация

Исторически гравитация (тяготение) первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Хотя человек всегда был знаком с гравитацией и основывал на ней сами понятия “вверх” и “вниз”, истинную роль гравитации как силы природы удалось в полной мере осознать только после появления в XVII в. ньютоновской теории гравитации – закона всемирного тяготения. До этого гравитация неразрывно связывалась о Землей и смешивалась с господствовавшим в то или иное время космологическим представлением. Аристотель, считавший, что Земля находится в центре мироздания, усматривал в стремлении тел падать на землю просто пример проявления общего принципа, согласно которому все тела имеют “естественное место” в нашем мире и стремятся занять его. Массивные тела стремятся вниз, тогда как газообразные воспаряют к небесам, т.е. к менее материальной с4)ере. Небесные эфирные элементы обращаются вокруг Земли по строго круговым орбитам, которым соответствует геометрически наиболее совершенное движение.

В средние века, когда закладывались более современные астрономические представления, стало очевидным, что гравитация не ограничена лишь Землей и что гравитационные силы действуют между Солнцем, Луной, планетами и вообще всеми телами в космическом пространстве. Одним из наиболее убедительных подтверждений универсального характера гравитации явилось объяснение Ньютоном океанских приливов действием гравитационного притяжения Луны. Ньютоновский закон обратных квадратов стал воплощением “дальнодействующей” природы гравитации. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В этом нам “повезло”, поскольку гравитация буквально не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, “связывает” звезды в галактики, препятствуя разбеганию звезд в космическом пространстве. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль.

Важная особенность гравитации – ее универсальность. Ничто во Вселенной не избавлено от нее. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации, или, как говорят физики, участвует в гравитационном взаимодействии. Гравитация влияет даже на энергию. К тому же каждая частица сама является источником гравитации. Более того, сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех частиц – именно это обстоятельство неявно выражено в знаменитом наблюдении (приписываемом Галилею), что все тела независимо от их веса или состава падают одинаково.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание, или “антигравитация”, никогда еще не наблюдалось. Причина этого вполне понятна. Гравитационному отталкиванию должна соответствовать отрицательная энергия. Но поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Отрицательная энергия в этом смысле есть нечто непонятное. Но хотя частицы не могут обладать отрицательной энергией, энергия поля может быть отрицательной; это приводит к глубоким последствиям, которые мы рассмотрим в дальнейшем.

Возможно, наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной! В мире субатомных частиц гравитация настолько слаба, что физики склонны полностью пренебрегать ею. Она не проявлялась ни в одном из наблюдавшихся до сих пор процессов с участием частиц.

Гравитационное взаимодействие макроскопических объектов также остается для нас незаметным. Когда мы идет по улице, огромные здания притягивают нас слабыми гравитационными “щупальцами”, но это притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Однако высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Еще в 1774г. шотландец Невил Маскелин обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением расположенной поблизости горы. В 1797г. Генри Кавендиш поставил знаменитый эксперимент, тщательно измерив едва уловимую силу притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами. Это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.

Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться основной силой во Вселенной? Ответ кроется в универсальности гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Действие гравитационного притяжения одного электрона или протона пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех электронов или протонов может быть значительной. Если бы антигравитирующих частиц было столько же, сколько гравитирующих, то одни частицы нейтрализовали бы другие и сила гравитации, хотя и существовала бы, не была бы заметной, поскольку оказалась бы слишком слабой.

Гравитацию следует рассматривать как поле. Каждая частица является источником гравитационного поля, окружающего ее невидимым ореолом. Другая частица, находящаяся в этом гравитационном поле, испытывает на себе действие силы. Поле–это не просто способ описания гравитации. Как уже упоминалось в гл. 2, в поле могут существовать волнообразные возмущения. Подобно тому как Максвелл обнаружил, что в электромагнитном поле могут возникать волны, распространяющиеся в пространстве, Эйнштейн установил, что волны могут зарождаться и в гравитационном поле.

Ньютоновская теория гравитации, остававшаяся незыблемой на протяжении более 200 лет, была повержена новой физикой, возникшей в первые десятилетия XX в. Долгое время не удавалось объяснить расхождение между предсказаниями теории Ньютона и результатами наблюдений орбиты планеты Меркурий, которая имеет не вполне эллиптическую форму. Небольшое вращение – прецессия – орбиты обусловлено гравитационным возмущением, вызванным воздействием других планет, но и после учета этих возмущений сохранялось небольшое расхождение – всего 43 угловые секунды в столетие, – которое не могла объяснить теория Ньютона.

Более серьезные затруднения возникли, когда теория Ньютона столкнулась с теорией относительности. Согласно Ньютону, гравитационное взаимодействие между двумя телами передается через пространство мгновенно, так что, если бы Солнце вдруг исчезло, траектория Земли тотчас же перестала бы искривляться, хотя мы продолжали бы видеть Солнце еще в течение 8 мин после его исчезновения – за это время солнечный свет достигает Земли. Согласно теории относительности Эйнштейна невозможно распространение физического сигнала со скоростью выше скорости света, и таким образом она вступает в противоречие с теорией гравитации Ньютона.

Пытаясь расширять свою теорию так, чтобы включить в нее гравитацию, Эйнштейн создал (1915) общую теорию относительности, которая не только вытеснила закон всемирного тяготения Ньютона, но и в корне изменила сами “идейные” основы нашего понимания гравитации. В теории Эйнштейна гравитация – это не сила, а проявление искривления пространства‑времени. Тела вынуждены следовать по искривленным траекториям вовсе не потому, что на них действует гравитация, – просто они движутся кратчайшим, самым “быстрым”, путем в искривленном пространстве‑времени. По Эйнштейну гравитация обусловлена просто геометрией.

Теория Ньютона вполне применима во всех практических приложениях, в частности в авиации и космонавтике, она вполне адекватно описывает и большинство астрономических систем.

Однако она непригодна в тех случаях, когда гравитационные поля достигают большой силы, как вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронных звезд или черных дыр. Влияние искривления пространства‑времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Например, прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца. Кроме того, как упоминалось в гл. 2, очень чувствительные часы могут обнаружить замедление времени на поверхности Земли.