3. Гравитация в действии

Солнечная система

Слова "небесная механика", звучащие сейчac чуть старомодно, пришли в науку не случайно. На небесных объектах впервые испытывался закон всемирного тяготения. Именно чарующая стройность единого математического закона, управляющего движением планет в их извечном кружении вокруг Солнца, впервые с покоряющей силой привлекла к ньютоновской теории физиков, астрономов, да и вообще всех естествоиспытателей.

С исследованием движения планет связан один из величайших триумфов естествознания: предсказание французским ученым Леверрье и англичанином Адамсом новой планеты - Нептуна. Небольшие отклонения в движении Урана по орбите от значений, рассчитанных по теории Ньютона, были объяснены возмущением со стороны новой, неизвестной планеты. Ее орбита была вычислена, и, как только астрономы направили свои телескопы в указанный участок неба, новая планета была сразу же обнаружена.

До сегодняшнего дня всемирное тяготение остается в нашем представлении основной пружиной движения космических тел.

Может показаться странным, почему гравитационные силы, столь пренебрежимо малые при взаимодействии окружающих нас предметов, в космических масштабах приобретают столь решающую роль.

Очень наглядно разъясняет это Я. И. Перельман. Массы небесных тел безусловно огромны. Но ведь и расстояния между небесными телами колоссальны. Однако сила тяготения, как известно, пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Масса же тела пропорциональна его объему и, следовательно, кубу линейных размеров. Поэтому, если размеры тел и их удаление увеличатся в n раз, то сила тяготения увеличится раз! Это значит, что при увеличении всех размеров Вселенной, скажем, в 2 раза силы тяготения в ней вырастут в 16 раз! Вот почему притяжение космических масс на больших расстояниях несравненно значительнее притяжения малых тел, находящихся друг возле друга.

Давно уже стало привычным и обыденным, что во всех календарях указывают фазы Луны, время и характер солнечных и лунных затмений. Астрономы выпускают точнейшие таблицы, в которых на много лет вперед указывается, в какой точке небосвода и в какой момент времени должны находиться планеты. С большой точностью предсказывается появление на небе многих комет ("хвостатых звезд", как их называли раньше), пронизывающих солнечную систему по всем направлениям.

Происхождение планет

Может показаться, что мы знаем все о движении планет нашей солнечной системы. Однако это далеко не так. Ведь эта система когда-то возникла, развивалась, продолжает меняться и сейчас. Она имеет определенный возраст. Та неизменность, стабильность, которую на протяжении многих веков демонстрирует наша планетная система, объясняется лишь тем, что люди наблюдают ее относительно небольшой для ее возраста промежуток времени. Ведь даже если за человеком наблюдать, скажем, десятую долю секунды, может сложиться впечатление, что перед нами совершенно стабильная система.

Но что можно сказать о прошлом нашей солнечной системы? Этот вопрос издавна волновал умы ученых. Было предложено много гипотез, еще больше строилось догадок. Среди этих гипотез и догадок есть и наивные, и поэтические, и откровенно фантастические.

Мы не будем говорить о многочисленных догадках, относящихся к доньютоновскому периоду. Чаще всего они не являлись научными в современном смысле этого слова.

Прежде всего: откуда черпался строительный материал для солнечной системы? Точнее, речь идет о строительном материале именно для планет, так как большинство исследователей довольно единодушно сходятся на том, что Солнце старше своих спутников^*.

^*(Вопрос о возникновении звезд, в частности Солнца, представляет огромный самостоятельный интерес. Однако он еще далек от решения, и мы его здесь касаться не будем. Некоторые замечания по поводу процессов в звездах встретятся ниже в главах о ядерных силах и слабых взаимодействиях.)

Об этом с давних пор среди исследователей ведутся дискуссии. Две основные гипотезы, которые здесь выдвигались, имеют каждая своих горячих сторонников, и чаша весов попеременно склонялась то в одну, то в другую сторону, так что окончательный вывод пока еще сделать трудно.

Широко известна казавшаяся одно время почти очевидной гипотеза Канта - Лапласа, согласно которой вещество, образовавшее планеты, - это огромные раскаленные брызги, выплеснутые благодаря вращению с поверхности Солнца.

В современном варианте этой идеи строительный материал планет возник совместно с Солнцем, отделившись от него в процессе образования Солнца из межзвездного газово-пылевого сгущения. Так, академик В. Г. Фесенков пишет: "Не успев сформироваться в звезду, т. е. продолжая интенсивно сокращаться, Солнце должно было оставить приблизительно в экваториальной плоскости значительное количество вещества, которое из-за чрезмерной скорости вращения не могло сосредоточиться в одном единственном теле".

Противоположной является гипотеза захвата - предположение о том, что строительный материал для планет поступил из межзвездного пространства. Роль Солнца сводилась лишь к тому, чтобы захватить, удержать этот материал. Впервые такая мысль была четко сформулирована замечательным математиком, полярным исследователем, географом, астрономом и геофизиком - к этому списку можно было бы добавить еще не одну специальность, - человеком замечательной, энциклопедической образованности, Героем Советского Союза, академиком Отто Юльевичем Шмидтом.

В межзвездном пространстве существуют огромные газово-пылевые облака, состоящие из отдельных атомов, молекул и мельчайших пылинок. О существовании таких облаков хорошо знают астрономы, которые называют их угольными мешками. Эти угольные мешки загораживают от нас многие звезды. Они, в частности, заслоняют центр нашей Галактики. Вещество в таких облаках находится в очень разреженном состоянии, во много раз более разреженном, чем верхние слои атмосферы Земли. Но протяженность их часто так велика, что общая масса может достигать весьма внушительных, поистине космических, значений. Эти облака движутся. Таким образом, вовсе не исключена возможность встречи и дальнейшего захвата облака какой-либо звездой. Именно такая встреча, - утверждают сторонники теории захвата, - и привела к возникновению нашей планетной системы.

"Но позвольте! - возражают им оппоненты, - ведь вероятность захвата очень мала, так как скорость движения Солнца относительно облаков очень велика (десятки километров в секунду). Надо, чтобы притяжение какой-либо другой звезды, оказавшейся поблизости, сильно замедлило их относительное движение. Но такое сближение звезд, как мы знаем, имеет ничтожную вероятность. Почему же...?"

Мы не станем перечислять всех доводов "за" и "против". Окончательный выбор между этими основными гипотезами пока сделать нельзя. Отметим другое: несмотря на существенное различие между теориями захвата и совместного образования, или истечения, у них есть много общего. Об этих общих моментах мы и поговорим.

Каким бы ни было происхождение сырья для планет, ему еще необходимо было пройти длинную цепь изменений, которая и привела к нынешнему состоянию солнечной системы.

Какую же картину принять за исходную? Скорее всего, появлению планет предшествовало гигантское газово-пылевое облако, вращавшееся вокруг Солнца. Это предположение вполне согласуется с обеими гипотезами.

Итак,гигантское облако

Дальнейшая его судьба определялась, в основном, тремя обстоятельствами: гравитационным взаимодействием частиц с Солнцем и друг с другом, столкновением частиц и, наконец, действием солнечного излучения. Разумеется, нужно принимать во внимание и факт вращения. Теория происхождения солнечной системы О. Ю. Шмидта, его учеников и сотрудников (здесь мы уже можем говорить не просто о гипотезе, а именно о теории) прослеживает эволюцию околосолнечного облака вплоть до образования планет. Если пересказать словами то, о чем говорят сложные формулы, с которыми оперируют ученые, то получится следующая картина.

В течение миллионов лет удивительно меняется вид облака. Медленно, постепенно оно начинает сплющиваться, превращаясь в плоский вращающийся диск. Расстояния между частицами уменьшаются, и силы притяжения увеличиваются. Поэтому возникают многочисленные сгущения. Начинается так называемая гравитационная конденсация вещества. Процесс - аналогичный образованию капелек тумана из водяного пара. Но только здесь действуют не молекулярные силы, а гравитационные.

Проходят еще долгие вереницы тысячелетий, и столкновения частиц в пылевом сгущении приводят к образованию сплошных тел размером в десятки или сотни километров. Так в диске образуется огромное количество сравнительно крупных тел, похожих на малые планеты-астероиды, заполняющие пространство между Марсом и Юпитером.

Двигаясь вокруг Солнца миллиарды лет, эти тела сталкивались между собой, дробясь или присоединяя к себе более мелкие тела и осколки крупных.

Те тела, которым удалось избежать дробления, начали расти быстрее других, "вычерпывая" вещество, рассеянное в пространстве. Становясь все больше, они сильнее притягивали и захватывали окружающие частицы. Но нужны космические промежутки времени, чтобы этот процесс конденсации завершился и на месте бесчисленных бесформенных глыб возникли планеты: с начала этого процесса прошло около 7 миллиардов лет.

Лишь вблизи самой тяжелой планеты - Юпитера - сильное возмущающее действие ее не позволило слаться глыбам воедино. Здесь мы имеем по сей день кольцо астероидов.

Гигантское облако

Теория Шмидта оказалась настолько совершенной, что сумела объяснить количественно многие закономерности в строении солнечной системы. Это прежде всего закон планетных расстояний - корни квадратные из радиусов орбит возрастают примерно в арифметической прогрессии. Теория объяснила, почему орбиты планет очень близки к круговым, почему они являются очень слабо вытянутыми эллипсами. Нашел объяснение тот факт, что плоскости орбит очень мало наклонены друг к другу и к экваториальной плоскости Солнца. Из теории вытекает, что все планеты должны двигаться вокруг Солнца в одну и ту же сторону, и это выполняется с неукоснительной точностью и большими и малыми планетами. Теория объясняет и тот факт, что все планеты (за исключением Урана) вращаются в одну и ту же сторону вокруг своих осей. Наконец, теория позволяет получить очень близкое к реальному распределение масс и плотностей объектов солнечной системы.

Одновременно с ростом планет гравитация должна все сильнее сжимать планеты, порождая колоссальные давления. При этом начинается разогревание планет. Однако существующая сегодня высокая температура земных недр объясняется не только как результат самого процесса образования Земли. Накопление тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, радия и др.), также превращало постепенно Землю в гигантский тигель, в котором под давлением варились новые минералы, возникали те материалы, которые после выдавливания на поверхность и остывания одели корой Землю.

Но это еще не все. Когда в начале эволюции солнечной системы пылевые частицы собрались в плоский диск, этот диск стал непрозрачным. Поэтому солнечные лучи перестали проникать на периферию диска. Там воцарился космический холод. Температура упала до -270°С. Одновременно те части диска, которые примыкали к Солнцу, сильно прогревались его лучами.

В результате вблизи Солнца остались преимущественно тугоплавкие частицы, а газы, в первую очередь водород, вымораживались в холодной части диска - на его периферии. Огромные массы замерзших газов и стали строительным материалом планет, значительно удаленных от Солнца - Юпитера и Сатурна. Стало быть, эти планеты должны состоять в основном из водорода, который при низких температурах становится твердым.

Ближайшие же к Солнцу планеты, в том числе и Земля, должны состоять, напротив, из тугоплавких веществ. Можно было бы подумать, что Уран, Нептун и Плутон содержат еще больше водорода, чем Сатурн и Юпитер, но это не так. Процесс образования сгустков внутри пылевого облака на окраине солнечной системы протекал замедленно, так как плотность вещества там была малой. Возникновение многочисленных астероидных тел вблизи Солнца увеличило прозрачность облака к моменту, когда в далекой зоне этот процесс еще не развился. Солнечные лучи в этих условиях вызвали полное испарение водорода из пылинок и поверхностей относительно крупных частиц. Это и уменьшило содержание водорода у далеких планет.

Все это вытекает из теории. Ну, а как опыт? Подтверждает ли он выводы ученых? Конечно, нелегко взять "пробу почвы" с Юпитера. Такое время пока не наступило. Но можно поступить иначе. Зная массу и размеры планеты, можно оценить, какие химические элементы она содержит. Расчет показывает, что Юпитер содержит около 85 % водорода, а Сатурн - 75%. Итог таков: да, выводы теории верны, далекие планеты-гиганты действительно состоят из легких элементов, преимущественно из водорода.

Пусть только не возникает у читателя впечатление, что все ясно и никаких проблем не осталось. Конечно, многое стало более понятным, ко как много еще загадок! И это касается не только каких-либо частностей, но и самых принципиальных моментов. Вспомните хотя бы тот же вопрос о предыстории нашей планетной системы. Согласно наблюдениям львиная доля массы солнечной системы сосредоточена в самом Солнце - 99,87%, а вот момент вращения Солнца вокруг своей оси составляет лишь не более 2% вращательного момента всей системы. Такое распределение моментов нетрудно получить, исходя из теории Шмидта, но при этом у облака, захваченного Солнцем, уже должен быть громадный вращательный момент. Был ли такой момент у облака - вопрос правомерный и обоснованный.

Тяготение на Земле

Вопросы остаются, и их еще не мало. Сама теория Шмидта не является в настоящее время общепринятой. Непрерывно выдвигаются новые гипотезы.. А теперь поговорим о том, что знакомо. Притяжение к Земле... Нужно быть поэтом, чтобы и здесь почувствовать прелесть новизны. Антуан де Сент-Экзюпери, французский летчик и поэт, совершил вынужденную посадку в африканской пустыне и проснулся на гребне с лицом, обращенным к звездам. "Не сразу поняв, что за глубины передо мной, не находя корня, за который можно уцепиться, ни крыши, ни ветки дерева между мной и этими глубинами, я почувствовал головокружение, почувствовал, что уже оторвался и лечу в бездну.

Однако я никуда не упал. От затылка до пят я был связан с Землей. Я отдался ей всей тяжестью своего тела и ощутил какое-то успокоение. Сила тяготения показалась мне всемогущей, как любовь.

Я ощутил, что Земля меня подпирает, поддерживает, поднимает и уносит в ночное пространство. Я открыл, что тяжесть тела прижимает меня к планете, как на поворотах прижимает тело к машине; я наслаждался этой поддержкой, ее прочностью, ее надежностью и ощущал под тяжестью тела изогнутую палубу моего корабля...

Я чувствовал в своих плечах эту силу тяготения - гармоничную, постоянную, на веки веков одинаковую. Я был связан с родной Землей".

Да, только благодаря притяжению Земля стала для нас Матерью.

Если вдуматься, какую роль играют силы тяготения в жизни нашей планеты, то открываются целые океаны. И не только океаны явлений, но и океаны в буквальном смысле этого слова. Океаны воды. Воздушный океан. Без тяготения они бы не существовали.

Волна в море, движение каждой капли воды в питающих это море реках, все течения, все ветры, облака, весь климат планеты определяются игрой двух основных факторов: солнечной деятельности и земного притяжения.

Гравитация не только удерживает на Земле людей, животных, воду и воздух, но и сжимает их. Это сжатие у поверхности Земли не так уж велико, но роль его немаловажна.

Корабль плывет по морю. Что мешает ему утонуть - известно всем. Это знаменитая выталкивающая сила Архимеда. А ведь она появляется только потому, что вода сжата тяготением с силой, увеличивающейся с ростом глубины. Внутри космического корабля в полете выталкивающей силы нет, как нет и веса.

Сам земной шар сжат силами тяготения до колоссальных давлений. В центре Земли давление, по-видимому, превышает 3 миллиона атмосфер.

Под влиянием длительно действующих сил давления в этих условиях все вещества, которые мы привыкли считать твердыми, ведут себя подобно вару или смоле. Тяжелые материалы опускаются на дно (если можно так называть центр Земли), а легкие всплывают. Процесс этот длится миллиарды лет. Не окончился он, как следует из теории Шмидта, и сейчас. Концентрация тяжелых элементов в области центра Земли медленно нарастает.

Приливы и отливы

Ну, а как же проявляется у нас на Земле притяжение Солнца и ближайшего к нам небесного тела - Луны? Наблюдать это притяжение без специальных приборов могут только жители океанских побережий.

Солнце действует почти одинаковым образом на все, находящееся на Земле и внутри нее. Сила, с которой Солнце притягивает, например, москвича в полдень, когда он ближе всего к Солнцу, почти не отличается от силы, действующей на него в полночь. Ведь расстояние от Земли до Солнца в десять тысяч раз больше земного диаметра и увеличение расстояния на одну десятитысячную при повороте Земли вокруг своей оси на пол-оборота практически не меняет силы притяжения.

Поэтому Солнце сообщает почти одинаковые ускорения всем частям земного шара и всем телам на его поверхности.

Почти, но все же не совсем одинаковые. Из-за этой-то небольшой разницы возникают приливы и отливы в океане.

Приливы и отливы

На обращенном к Солнцу участке земной поверхности сила притяжения несколько больше, чем это необходимо для движения этого участка по эллиптической орбите, а на противоположной стороне Земли - несколько меньше. В результате согласно законам механики Ньютона вода в океане немного выпучивается в направлении, обращенном к Солнцу, а на противоположной стороне отступает от поверхности Земли. Возникают, как говорят, приливообразующие силы, растягивающие земной шар и придающие, грубо говоря, поверхности океанов форму эллипсоида.

Чем меньше расстояния между взаимодействующими телами, тем больше приливообразующие силы. Вот почему на форму мирового океана большее влияние оказывает Луна, чем Солнце. Мы говорили о Солнце просто потому, что Земля вращается вокруг него, и здесь легче понять причину деформации поверхности океанов.

Если бы не было сцепления между частями земного шара, то приливообразующие силы разорвали бы его.

Возможно, это произошло с одним из спутников Сатурна, когда он близко подошел к этой большой планете. То состоящее из осколков кольцо, которое делает Сатурн столь примечательной планетой, вероятно и есть обломки спутника.

Итак, поверхность мирового океана подобна эллипсоиду, большая ось которого обращена в сторону Луны. Земля вращается вокруг своей оси. Поэтому по поверхности океана навстречу направлению вращения Земли перемещается приливная волна. Когда она приближается к берегу - начинается прилив. В некоторых местах уровень воды поднимается до 18 метров. Затем приливная волна уходит и начиается отлив. Уровень воды в океане колеблется, в среднем, с периодом 12 ч. 25 мин. (половина лунных суток).

Эта простая картина сильно искажается одновременным приливообразующим действием Солнца, трением воды, сопротивлением материков, сложностью конфигурации океанических берегов и дна в прибрежных зонах и некоторыми другими частными эффектами.

Важно, что приливная волна тормозит вращение Земли.

Правда, эффект очень мал. За 100 лет сутки увеличиваются на тысячную долю секунды. Но, действуя миллиарды лет, силы торможения приведут к тому, что Земля будет повернута к Луне все время одной стороной и земные сутки станут равными лунному месяцу. С Луной это уже произошло. Луна заторможена настолько, что повернута к Земле все время одной стороной.

Не уменьшается ли гравитационная постоянная?

Чтобы "заглянуть" на обратную сторону Луны, пришлось посылать вокруг нее космический корабль. Как будущее, так и прошлое нашей планеты, конечно, далеко не известны с полной достоверностью, Но все ли мы знаем о Земле в настоящее время? Может быть, здесь все ясно? Во всяком случае, если смотреть с "гравитационной колокольни"?

Действительно, гравитация самой Земли изучена очень детально. Есть даже такая наука - гравиметрия. Гравиметристы настолько тщательно изучают все особенности местных изменений тяготения, что могут указать место расположения под Землей больших скоплений тяжелых минералов (или, наоборот, обнаружить пустоты или массивы особо легких веществ).

Сравнивая истинную траекторию спутника с расчетной, делаются успешные попытки уточнить фигуру Земли, т. е. установить, как сильно ее форма отличается от правильной сферы.

Да разве только это?

Но вот одно из удивительных наблюдений, о котором все более настойчиво говорят ученые. По-видимому, наша планета непрерывно, хотя и очень медленно, увеличивается в размерах. Правда, это увеличение составляет за год лишь доли миллиметра (речь идет о среднем радиусе), но в геологических масштабах это уже не мелочь. Меняется продолжительность суток, меняется, следовательно, тепловой и световой ритм, неизбежно должен меняться климат.

Если поверить, что расширение Земли действительно имеет место, нельзя не спросить себя: почему, под действием каких "пружин" это происходит? Конечно, здесь можно сослаться на еще не изученную нами геологию внутренних слоев Земли. Но, может быть, здесь проявляется некое совершенно новое, особое свойство гравитации, которое до сих пор ускользало от нашего внимания? Может быть, с течением времени медленно уменьшается сама сила всемирного тяготения?

Такая гипотеза была выдвинута в последнее время.

Сила тяготения пропорциональна, как мы говорили, произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности в законе всемирного тяготения обычно называют гравитационной постоянной. Так вот, может быть, гравитационная постоянная вовсе не является коэффициентом, зависящим, как любят говорить физики, "только от выбора системы единиц", но медленно уменьшается со временем. Если это так, то все теории происхождения солнечной системы должны быть пересмотрены.

Как знать! Мы еще много не понимаем в проблеме гравитации.

Сформулировав свой знаменитый закон всемирного тяготения, Ньютон поставил перед наукой глубочайший вопрос: что такое гравитация, какова ее природа, как передается взаимодействие между тяготеющими массами.

Ньютон только описал гравитацию. Встала необходимость ее объяснить.

К рассказу о том, чего здесь удалось достигнуть, мы сейчас и перейдем.