Бесконечная Вселенная

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бесконечная Вселенная

К.П. Станюкович

(статья из сборника "Вселенная", - М.: Культпросветгиз, 1955)

ЧТО ТАКОЕ ВСЕЛЕННАЯ

Вопрос о том, что представляет собой вся Вселенная, начал интересовать человека с самых давних пор. И на разных этапах развития науки люди вкладывали в это слово самые различные понятия.

Для древних греков всей Вселенной -- «кругом Земли», как говорили в то время, -- была область Средиземного моря. Великие географические открытия, совершённые на рубеже XV и XVI веков, позволили человеку узнать весь земной шар. Открытия великих мыслителей Возрождения -- Николая Коперника, Джордано Бруно и Галилео Галилея расширили пределы Вселенной до мира неподвижных звёзд, о бесчисленности и о природе которых гениально догадывался Бруно. XX век ещё отодвинул границы Вселенной, обнаружив в ней бесчисленность уже не звёзд, а галактик -- колоссальных звёздных систем, образующих сверхсистему -- Метагалактику. Примерно на 1 миллиард световых лет проник ныне взгляд человека в бесконечное пространство и не нашёл никаких границ.

А что же дальше, за этой познанной человеком гигантской сферой с радиусом в миллиард световых лет? Каково принципиальное устройстве всей бесконечной Вселенной по данным современной науки? Каково происхождение этой бесконечной Вселенной?

Вселенная материальна -- вот первое и основное положение, из которого исходит в поисках ответа на поставленные вопросы советская наука. Вселенная состоит из материи, свойства которой можно познать. Вселенная бесконечна во времени и пространстве, она всегда существовала и всегда будет существовать, так же как и составляющая её материя.

Вместе с тем Вселенная не есть нечто раз навсегда установленное, не изменяющееся. Не только в частях, но и в целом Вселенная изменяется, развивается, как изменяются и все её большие и малые составные материальные части -- от Галактики до электрона. Высшим известным нам продуктом развития материи является мыслящий человек.

Таковы в основном наши взгляды на всю бесконечную Вселенную. Отказавшись от какого-либо из этих положений, мы скатимся в лагерь идеализма, неизбежно должны будем признать существование какой-либо «высшей силы», «первоначального толчка» или ещё чего-либо, что заменяет в терминологии некоторых учёных-идеалистов понятие «бог».

В настоящее время в арсенале науки накоплено довольно много бесспорных положений, которые позволяют представить некоторые закономерности строения всей Вселенной, имеется ряд гипотез о закономерностях её развития и устройства.

Остановимся коротко на некоторых этапах развития представлений о закономерностях бесконечной Вселенной от Ньютона до наших дней.

ВЕЗДЕСУЩАЯ СИЛА

Эта сила с железной неумолимостью проявляет себя повсюду. Нет на земном шаре места, где бы мы не могли заметить её проявления. Нет во Вселенной места, где бы её вековечным законам не подчинялась материя. От этой всепронизывающей силы нельзя заслониться никаким экраном. От неё нельзя убежать: с расстоянием она слабеет, но никогда не исчезает совсем. Эта вездесущая сила называется всемирным тяготением, или, иначе, гравитационной силой.

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 лёгкая воздушная оболочка -- многослойная смесь различных газов, атмосфера. В её 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. Её движение постепенно замедляется, направление искривляется, и она возвращается успокоенная в родной воздушный океан. Задержала этот воздушный поток та же сила, которая удерживает толстый слой лёгких летучих газов над поверхностью Земли -- сила тяготения.

Человек очень давно заметил эту силу и начал её использовать. Ещё 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 её объяснить и не пытался её применить для познания многочисленных явлений Вселенной. Первым это сделал великий английский учёный Исаак Ньютон.

ПОДВИГ НЬЮТОНА

Всем известна легенда о том, что Ньютон открыл закон всемирного тяготения, наблюдая за падением яблока. Рассказывают, что учёный сам придумал этот эпизод, отбиваясь от любопытных, допытывавшихся, как был открыт великий закон. 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 действие этого закона 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 учёный Иоганн Кеплер открыл основные законы движения планет вокруг Солнца. Эти законы также известны сейчас каждому ученику средней школы. Но тогда они ещё не были обоснованы. Да, планеты двигались 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. Учёные давно заметили, что планета Уран на некоторых участках своего пути вокруг Солнца, пути строго предопределённого законом всемирного тяготения, начинала проявлять какие-то неправильности движения. Она то замедляла без всякой видимой причины свой бег среди светил, то вдруг, словно кто-то начинал усиленно тащить её вперёд, ускоряла своё движение. Раздумывая над этим явлением, русский астроном Лексель в конце XVIII века пришёл к убеждению, что за Ураном находится ещё какая-то неизвестная планета, воздействующая своим притяжением на Уран, а в 1846 году французский учёный Леверрье вычислил местоположение неизвестной планеты на небесном своде. Эта новая планета была вскоре обнаружена астрономами.

ПАРАДОКС ЗЕЕЛИГЕРА

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 её 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 без материи; но это абсурдная вещь: ведь пространство можно мыслить только как форму существования материи. Следовательно, приведённое объяснение парадокса Зеелигера не выдерживает никакой критики.

Сам Зеелигер высказал другое предположение. Он допустил, что сила тяжести ослабевает с расстоянием не обратно пропорционально квадрату расстояния, а несколько быстрее. Это частично объясняло парадокс, но ставило под сомнение точность классического закона Ньютона.

Кроме парадокса Зеелигера, учёные 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?

МАТЕРИАЛЬНОСТЬ ПОЛЕЙ

О том, что звук распространяется со сравнительно небольшой скоростью, догадались очень давно. Наблюдая орудийную стрельбу, если вы находитесь на некотором расстоянии от орудия, вы сначала видите вспышку света, а затем, через некоторое время, до вас доносится звук выстрела. Уже это явление позволяет довольно точно определить скорость распространения звука. Она составляет около 330 метров в секунду.

Значительно сложнее было определить скорость света. Ведь она равна, как теперь известно, гигантской величине -- 300 000 километров в секунду. Вокруг земного шара луч света облетел бы чуть больше, чем за 0,1 секунды. Долгое время не умели измерять столь большие скорости.

Впервые это удалось сделать с помощью наблюдений затмений спутников Юпитера. Эти крохотные планетки уже исчезали за диском планеты, но астрономы ещё видели их свет, -- он успевал дойти до Земли. Они уже появлялись из-за края планеты, но астрономы их видеть не могли: луч света от них ещё не достиг объектива телескопа. По этим запаздываниям и определили впервые скорость распространения света.

В настоящее время скорость распространения света измеряют с очень большой точностью в земных условиях -- в лабораториях учёных -- с помощью вращающихся зеркал.

В физике очень часто употребляется понятие «поле» -- область действия какой-либо силы или явления. Но поле -- не просто область пространства, где действует данная сила, -- оно характеризует также величину и направление действия этой силы в любой точке поля. Могут быть, например, электрические, магнитные поля, поля тяготения и т. д.

Мы знаем, что свет, представляющий собой электромагнитные колебания, распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду.

А как поле тяготения? С какой скоростью распространяется оно? Со скоростью звука -- 330 метров в секунду -- или со скоростью света -- 300 000 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 сегодняшней 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. Пуля пробьёт яблочко мишени после того, как она покинет ствол винтовки. Звук выстрела слышен после того, как сделан выстрел, и т. д. Из последовательности распространения 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 заложил в 1905--1915 годах в своей специальной и общей теории относительности, опираясь на геометрию Лобачевского и Римана, гениальный учёный Альберт Эйнштейн.

Одним из основных выводов специальной теории относительности, определяющей взаимосвязь пространства и времени, является соотношение между массой и энергией. Движущееся тело, гласит теория относительности, имеет запас кинетической энергии, и масса такого тела больше, чем масса того же тела, находящегося в покое.

Чем больше энергии содержит данное тело, тем больше его масса. Стакан нагретого чая имеет большую массу, чем стакан холодного чая.

Из установленного Эйнштейном соотношения между массой и энергией следует, что килограмму массы тела соответствует колоссальная энергия: 9,18·10¹⁵ килограммометров.

Но что такое масса тела? Определяя величину массы тела, можно исходить из механического понятия: масса -- это мера инерции тела. Следовательно, масса тела может быть выражена величиной силы и ускорения, которое данная сила может придать массе, воздействуя на неё. В физике массу, измеренную таким способом, называют инертной массой.

Но можно величину массы определить и из ньютоновской формулы всемирного тяготения. Эту массу тел, которые могут быть неподвижны относительно друг друга, называют гравитационной, или тяжёлой массой. Физическая природа инертной и гравитационной масс различна. Но количественное значение инертной и гравитационной масс всегда для любого конкретного тела оказывалось одинаковым.

Но мы только что говорили, что величина инертной массы изменяется от скорости движения. Значит, и гравитационная масса, рассудил Эйнштейн, тоже должна изменяться с изменением скорости. А отсюда он сделал вывод, что инерция и притяжение -- явления одного порядка; всемирное тяготение -- явление, аналогичное инерции; инерция -- другая форма проявления тяготения.

Когда-то Максвелл, основываясь на равенстве скорости распространения электромагнитных волн и скорости света, высказал предположение, что свет также является одним из видов электромагнитных волн. Это предположение в значительной мере способствовало движению науки вперёд. Столь же значительным было отождествление Эйнштейном инерции и тяготения на основе равенства инертной и гравитационной масс. Оно позволило ему в 1915 году создать общую теорию относительности -- современную теорию всемирного тяготения, значительно более точно и глубоко раскрывающую строение Вселенной, чем классическая теория Ньютона.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Невозможно в короткой статье изложить общую теорию относительности, в основном математическую теорию, физическим смыслом которой не очень интересовался и сам Эйнштейн, считавший, что задача учёного -- только описывать явления, а не объяснять их. Этой неправильной идеологической позицией как Эйнштейна, так и его некоторых последователей объясняются и некоторые неверные выводы, сделанные на основе теории относительности.

Многие выводы общей теории относительности нашли блестящее подтверждение в опытах и наблюдениях учёных. 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 её 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 звёзды, находящиеся около Солнца. Этот же участок звёздного неба сфотографировали в другой раз, когда Солнце ушло далеко от него. Снимки наложили, и звёзды на них не совпали друг с другом: могучее притяжение Солнца искривило лучи света, и на первом снимке звёзды оказались как бы сдвинутыми со своих истинных положений. Величина этого смещения, по данным восьми независимых определений, сделанных в 1919--1952 годах с точностью до 12 процентов, совпадает с предсказанной теорией относительности (1",75 у края диска Солнца).

Общая теория относительности позволила объяснить неправильность в движении перигелия Меркурия, найти причину появления тех 42 лишних угловых секунд смещения, которые так долго смущали астрономов.

Но можно ли, несмотря на все эти успехи, распространять действие общей теории относительности на всю бесконечную Вселенную?

Уравнения, полученные создателями общей теории относительности, чрезвычайно сложны. Они относятся к так называемым нелинейным уравнениям, строгого решения которых при произвольных начальных условиях современная математика не знает. Образно говоря, в руках учёных оказалось отличное, очень точно бьющее оружие, владеть прицельными приспособлениями которого они не умели.

Рис. 1. «Эффект Эйнштейна», наблюдаемый во время полных солнечных затмений. Слева - искривление лучей звёзд, проходящих около массивного Солнца, справа - кажущееся смещение изображений звёзд (от 1 к 1а и т.д.). Смещение убывает с расстоянием звезды от диска Солнца.

Чтобы применить эти уравнения, найти возможность решать их, приходилось их или очень упрощать или принимать упрощённые начальные условия. В таком виде их и применил Эйнштейн для изучения общих свойств. Продолжая, можно сказать, что с корпуса скорострельного орудия сняли точные оптические прицелы, вспомогательные, корректирующие стрельбу устройства и стали стрелять из него, целясь через дуло.

Конечно, упрощения коснулись второстепенных и третьестепенных членов этих уравнений, которые, на первый взгляд, не играют принципиальной роли. Так, например, основные уравнения учитывали взаимодействие электромагнитного поля, созданного лучом света, с гравитационными полями тел, находящимися у него на пути. Упрощённые уравнения этого взаимодействия уже не учитывали. Велика ли ошибка, вызванная таким упрощением?

В земных условиях, в отрезках пространства, соизмеримых с диаметром Земли или даже диаметром земной орбиты, влияние этого взаимодействия ничтожно. Однако при ещё больших расстояниях, проходимых лучом света, энергия этого взаимодействия будет соизмерима с энергией самого светового потока. А значит, будет изменяться и энергия этого потока, и закон изменения энергии луча с расстоянием будет значительно отличаться от того, какой утверждается приблизительными уравнениями.

Какой же из всего этого вывод?

Вывод тот, что теория тяготения Эйнштейна в том виде, в котором сегодня математика позволяет её применять, значительно точнее классической теории Ньютона. С её помощью можно исследовать значительно большую часть пространства Вселенной, чем с помощью классической теории, но претендовать на право быть приложенной ко всей бесконечной Вселенной она не может. Ведь она, так же как и теория Ньютона, без специальных поправок не может, в частности, объяснить парадокс Зеелигера.

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Примером того, к каким неправильным выводам и толкованиям может привести приложение упрощённых уравнений общей теории относительности ко всей бесконечной Вселенной, может служить история с так называемой «расширяющейся Вселенной».

Одно из возможных решений уравнений этой теории, принадлежащее советскому учёному А. А. Фридману, приводит к выводу, что Вселенная расширяется. Некоторые учёные сделали отсюда вывод, что плотность материи во Вселенной всё уменьшается, так как изменение расстояния между далёкими галактиками в единицу времени (то есть их относительная скорость) растет пропорционально расстояниям между ними.

Следовательно, чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они движутся, разлетаясь в разные стороны.

Практические наблюдения, исследование так называемого «красного смещения» -- сдвига спектральных линий в спектрах галактик к красному концу, тоже показали, что наиболее отдалённые от нас галактики движутся, разлетаясь со скоростями до 60000 км/сек. Вспомним, что, согласно эффекту Допплера (стр. 53), спектральные линии в случае удаления галактик от нас должны смещаться именно к красному концу.

Но если в настоящее время галактики разлетаются в разные стороны, значит, было время, когда они были все в одном месте, из которого и началось их движение. Вычисления подтвердили, что несколько миллиардов лет назад они, видимо, находились в одном и том же месте Вселенной. Определение радиоактивным методом возраста коренных пород, слагающих нашу Землю, и возраста метеоритов -- единственных доступных нашему непосредственному исследованию космических тел -- приводит к числу того же порядка: они образовались 5--6 миллиардов лет назад. На этом основании некоторые зарубежные теоретики и утверждают, что несколько миллиардов лет назад вся известная нам во Вселенной материя составляла некий «мировой атом», который взорвался, и продукты распада его начали разлетаться с огромной скоростью. При этом в области расширяющихся продуктов взрыва образовались различные астрономические объекты -- галактики, туманности, а в них уже возникали в свою очередь звёзды, планетные системы и т. д.

Вне области распада расширяющихся продуктов взрыва нет ничего, там нет самой Вселенной. Там -- ничто, а Вселенная -- это и есть область расширяющихся продуктов взрыва начального «мирового атома». Вот к какому идеалистическому выводу пришли некоторые зарубежные учёные.

Рис. 2. «Разбегание галактик», обнаруживаемое по «красному смещению» в спектре. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется от нас.

С нашей точки зрения, в теории расширяющейся Вселенной есть рациональное зерно. Нельзя отрицать фактов: красного смещения, говорящего нам о разлёте галактик, показаний «урановых часов», «стрелки» которых отмечают возраст известных нам веществ на Земле и в метеоритах. Но в трактовке зарубежных теоретиков-идеалистов есть много неверного.

Рассмотрим такую модель. Предположим, что частички какого-либо газа в какой-то начальный момент времени начнут двигаться к центру. Настанет миг, они все столкнутся в центре, возникнет область покоя, в которой сконденсируется кинетическая энергия этих частичек. Затем она начнёт освобождаться, расталкивая частички газа. Ударная волна пройдёт от центра к периферии образовавшегося шара, и, когда достигнет его поверхности, начнётся процесс истечения. При этом наибольшую скорость получат те частички, которые находились на поверхности шара. У частичек, слагавших внутренние слои, эта скорость будет значительно меньше. Если мы положим несколько шашек так, чтобы они касались друг друга, и ударим линейкой по крайней, удар, пройдя через все шашки, далеко оттолкнёт последнюю, слегка отодвинет предпоследнюю и почти не стронет с места другие.

Представим себе, что частички разлетающегося газа обладают взаимным притяжением. Средние частички начнут снова падать к центру, затем снова начнётся процесс истечения. Ядро будет пульсировать.

Расширим нашу модель до гигантских размеров. Мы можем представить себе, что известная нам материя Вселенной гравитационно сжималась вокруг какой-то центральной области. Под влиянием сверхвысоких давлений, возникающих здесь, могли произойти те или иные ядерные реакции, выделение огромного количества энергии и взрыв с разлётом гигантских клубков вещества. Возможно, что результаты этого гигантского взрыва мы и наблюдаем сейчас. А о времени, когда произошёл этот взрыв, нам сообщают «урановые часы», пущенные в ход в момент взрыва.

Конечно, мы не можем сейчас говорить о подробностях этого взрыва. Мы даже не знаем, в какой форме была материя до этого взрыва и во время его. Ведь вечна только материя, а формы её существования переменны: из одной формы она может переходить в другую.

бесконечная вселенная большой взрыв

Рис. 3. Возможное объяснение разлета галактик. Внизу показано распределение скоростей и плотности при взрыве.

Но мы можем смело утверждать, что не выдерживает никакой критики попытка католической церкви объявить взрыв и последующий разлёт материи «первичного атома» «сотворением мира», произведённым по воле некоего «высшего творца». Гигантский переворот, который, может быть, исторгнул из своих недр все известные нам миры и галактики, был просто очередным эпизодом в истории развития вечной материи в бесконечной Вселенной.

Наивны и попытки некоторых зарубежных учёных, пытающихся ограничить Вселенную областью расширяющейся материи, описываемой упрощёнными уравнениями. Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, и известная нам область, к границам которой мы можем стремиться сегодня силой человеческой мысли, также не может нам дать представление обо всей Вселенной. Настанет время -- и ещё расширятся наши знания о Вселенной. Но всё новые вопросы будут возникать перед человеком.

Гипотеза о расширяющейся части Вселенной дополняет космогонические гипотезы образования звёзд планетных систем. Она хорошо объясняет спирально-вихревое строение галактик, в частности нашей Галактики. Дело в том, что за фронтом взрывной волны неизбежно должны образоваться вихри. Этот процесс можно легко моделировать в земных условиях. Спиральные галактики можно поэтому рассматривать как вихревые образования, устойчивые благодаря их большой массе и силе всемирного тяготения. В этих спиральных галактиках и протекают из гигантских газовых и пылевых масс процессы звездообразования, рождения планетных систем и т. д. Вместе с тем мы ясно можем себе представить, что процесс «расширения» нашей видимой Вселенной является зональным (местным) и временным. В целом в бесконечной Вселенной всегда существует также бесконечное число как расширяющихся, так и сжимающихся конечных частей.

ГИПОТЕЗА О ПРИРОДЕ ТЯГОТЕНИЯ

Науке многое известно о гравитационных силах, но всё-таки ни классическая теория всемирного тяготения Ньютона, ни общая теория относительности Эйнштейна не дала наглядного физического объяснения, почему тела притягивают друг друга.

В своё время Эйнштейн пришёл к выводу, что свет распространяется не непрерывно, а «порциями» -- световыми квантами. В настоящее время эти частицы света принято называть фотонами. Наличие световых квантов, или фотонов, было подтверждено в опытах советских физиков А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова по исследованию фотоэффекта. Трудами многих учёных-теоретиков была создана квантовая теория света.

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 раскалённого тела тем больше, чем выше его температура. Во-вторых, интенсивность излучения гравитонов телом пропорциональна ускорению, действующему на данную массу, то есть в случае изолированной системы двух тел она зависит от массы второго тела. В-третьих, что интенсивность испускания гравитонов каждой единицей массы зависит от напряжённости 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 неё уменьшается и реактивная сила струй, излучающихся в противоположные отверстия, сближает трубки.

Теперь представим себе два тела, излучающих во все стороны гравитоны. Напряжённость гравитационного поля между этими телами будет, конечно, больше, чем по сторонам, и излучение гравитонов из обоих тел в сторону этого наиболее напряжённого 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 нашем опыте трубки, помимо реактивных сил, действовала расталкивающая их сила повышенного давления между сближавшимися отверстиями трубок. Такая же сила отталкивания напряжённым участком гравитационного поля существует и в случае притяжения двух тел друг к другу, но только эта сила отталкивания, как показывают расчёты, неизмеримо меньше сил притяжения. Однако, если представить себе вещество очень большой, не существующей в природе плотности порядка 10¹⁶ г/см³ (то есть 10 миллиардов тонн в куб. сантиметре), то напряжённость 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 ¹, которые в свою очередь могут превращаться в гравитоны. 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 даёт на 1 грамм вещества около 10²¹ эргов, то для получения искусственных гравитонов необходимо добиться энергии в в 10⁴² эргов на грамм вещества. Этого можно достичь, только разогнав этот грамм вещества до скорости, отличающейся от скорости света всего на 10^-10 см/сек., 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 учёным парадокс Зеелигера.

Гидродинамическая теория тяготения не стремится заменить собой теорию гравитационного поля Эйнштейна, на которую она в ряде случаев опирается. Но она позволяет более отчётливо представить природу тяготения. Формулы и выводы, получаемые на основании этой теории, ещё 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.

Дальнейшее развитие науки ещё глубже позволит нам понять природу всемирного тяготения, раздвинет границы исследованной человеком части пространства бесконечной Вселенной.

Примечания

¹ Позитрон -- элементарная частица с такой же массой, как и электрон, но в отличие от него имеющая положительный заряд.

Размещено на Allbest.ru