Природа всемирного тяготения

Теория относительности, о которой шла речь выше, была создана Эйнштейном в 1905 г., называется специальной теорией относительности (СТО). Намного позже, в 1915 г., Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности (ОТО). В чем заключается различие между этими двумя теориями? Отвечая на этот вопрос предельно кратко и в самом общем виде, можно сказать, что специальная теория относительности представляет собой новое (по сравнению с ньютоновским) объяснение пространства и времени, которое было рассмотрено в предыдущем пункте данной темы; а в общую теорию относительности помимо нового взгляда на пространство и время включается объяснение гравитации — природного явления, играющего огромную роль во многих процессах окружающего мира.

Что такое гравитация? Отвечая на данный вопрос, большинство людей, скорее всего, скажет, что это притяжение к Земле всех объектов, которые находятся на ней и вокруг нее на не слишком большом отдалении. Кто-то, возможно, даст более правильный ответ, сказав, что гравитация — это притяжение не только различных объектов к Земле, но и Земли — к Солнцу, Солнца — к центру Галактики и вообще всех физических тел — друг к другу, т.е., иначе говоря, гравитация — это всемирное тяготение, которое обусловливает грандиозное многообразие природных явлений: от падения яблока на землю до движения небесных тел.

Согласно закону всемирного тяготения, открытого Ньютоном, любые два тела взаимно притягивают друг друга с тем большей силой, чем больше масса этих тел и меньше расстояние между ними. Причем эта сила становится заметной только тогда, когда происходит взаимодействие тел с колоссальными массами (или, по крайней мере, когда одно из взаимодействующих тел обладает подобной массой). Вот почему мы видим, как оторвавшееся от ветки яблоко притягивается Землей, но не видим, как притягиваются друг к другу незначительные по массе объекты: столы, арбузы, люди и т.п., хотя и в данном случае действует сила всемирного тяготения, будучи, однако, ничтожно малой и поэтому незаметной. Когда же происходит взаимодействие физических тел со слишком большими массами (планеты, звезды, галактики), то взаимное притяжение становится не только заметным, но и превращается в определяющий фактор их существования.

Например, Земля вращается вокруг Солнца именно по причине ее притяжения нашим светилом. Если бы сила этого притяжения исчезла, то Земля стала бы двигаться по прямой линии (по касательной к ее орбите) и покинула бы Солнечную систему. Таким образом, Солнце силой своего притяжения ежесекундно искривляет прямолинейный путь Земли, делая его замкнутым, эллиптическим. Для иллюстрации данного факта рассмотрим пример-аналогию.

Представьте себе, что в центре деревянного стола вбит гвоздик, а неподалеку от него лежит железный или пластмассовый шарик. Если Вы ударите по нему, он покатится по прямой линии, удаляясь от неподвижного гвоздика. Теперь положим шарик на прежнее место и соединим его с гвоздиком ниткой, веревкой, или цепочкой и снова ударим по нему. В этом случае шарик станет кататься вокруг гвоздика, хотя, в результате сообщенного ему ударом движения, он должен перемещаться прямолинейно. Понятно, что неподвижный гвоздик с помощью нитки, привязанной к шарику, в каждое мгновение искривляет его прямолинейный путь, в результате чего последний становится круговым.

Так же и Солнце своим притяжением заставляет Землю двигаться не по прямой линии, а по замкнутой, хотя оно и удалено от нашей планеты приблизительно на 150 млн. км. Как велика эта сила солнечного притяжения? Наглядный ответ на данный вопрос предлагает известный отечественный популяризатор науки Я.И. Перельман в своей книге «Занимательная физика», отрывок из которой приводится ниже.

«Вообразите, что могущественное притяжение Солнца почему-либо в самом деле исчезло и Земле предстоит печальная участь навсегда удалиться в холодные и мрачные пустыни вселенной. Вы можете представить себе — здесь необходима фантазия, — что инженеры решили, так сказать, заменить невидимые цепи притяжения материальными связями, т.е. попросту задумали соединить Землю с Солнцем крепкими стальными канатами, которые должны удерживать земной шар на круговом пути в его беге вокруг Солнца. Что может быть крепче стали, способной выдержать натяжение в 100 кг на каждый квадратный миллиметр? Представьте себе мощную стальную колонну, поперечником в 5 м. Площадь ее сечения заключает круглым счетом 20000000 кв. мм; следовательно, такая колонна разрывается лишь от груза в 2000000 тонн. Вообразите далее, что колонна эта простирается от Земли до самого Солнца, соединяя оба светила. Знаете ли вы, сколько таких могучих колонн потребовалось бы для удержания Земли на ее орбите? Миллион миллионов! Чтобы нагляднее представить себе этот лес стальных колонн, густо усеивающих все материки и океаны, прибавлю, что при равномерном распределении их по всей обращенной к Солнцу половине земного шара промежутки между соседними колоннами были бы лишь немногим шире самих колонн. Вообразите силу, необходимую для разрыва этого огромного леса стальных колонн, и вы получите представление о могуществе невидимой силы взаимного притяжения Земли и Солнца».

Итак, всемирное тяготение играет огромную роль во многих природных процессах. В эпоху Ньютона наука вполне могла ответить на вопрос о том, в чем оно проявляется, где и как действует, какие явления окружающего мира с ним связаны. Однако классическое естествознание ничего не знало о природе всемирного тяготения, т.е. не задавалось вопросом, почему оно существует, чем обусловлено, каковы его причины. Мы хорошо знаем, что Земля притягивает к себе все объекты, находящиеся на ней, и нас, в том числе. Мы можем вычислить силу земного притяжения в каждом конкретном случае. Но знаем ли мы, почему Земля притягивает нас к себе, чем вызвана эта ее особенность? Магнит, например, тоже притягивает к себе кусочки железа. Скорее всего, мы догадываемся о том, что земное тяготение, или гравитация имеет совсем не такую природу, как магнитное притяжение. Какова же природа гравитации? На этот вопрос и попытался ответить Эйнштейн в общей теории относительности.

На первый взгляд может показаться странным, что эйнштейновское объяснение гравитации является не столько физическим, сколько геометрическим. Поэтому прежде, чем рассмотреть его, вспомним, говоря об основных чертах третьей научной картины мира, мы отмечали, что по современным представлениям трехмерное пространство Вселенной является искривленным и замкнутым. Возникает вопрос: каковы причины искривления трехмерного пространства? Также вспомним, что в силу специальной теории относительности пространство не является независимым от материи, представляет собой не вместилище ее, а неотъемлемое свойство. Так может быть искривление пространства каким-то образом связано со спецификой материальных объектов? Приблизительно таким образом и рассуждал Эйнштейн. С точки зрения его теории трехмерное пространство искривляют огромные массы физических тел, которыми являются планеты, звезды и другие объекты мегамира. Эта кривизна трехмерного пространства (которую мы не можем непосредственно заметить) проявляется в гравитации, или всемирном тяготении. Говоря иначе, по Эйнштейну гравитация — это результат искривления пространства, которое происходит под действием колоссальных масс. Для обыденного сознания подобное утверждение выглядит несколько необычно. В первую очередь смущает трактовка гравитации как геометрического (искривление пространства), а не физического эффекта, в то время как все мы привыкли к тому, что всемирное тяготение — это как раз физическое явление.

Для пояснения приведем уже знакомый нам пример-аналогию с двухмерными существами, живущими в двухмерном пространстве, или плоскости. Наглядным изображением последней может служить плотный и ровный лист бумаги, который Вы держите, приподняв за края, в горизонтальном положении. Представьте себе, что в центр этого листа-плоскости помещают увесистый металлический шарик. Что произойдет? Конечно же, лист прогнется под его тяжестью, и плоскость, в которой живут двухмерные существа, искривится и станет напоминать собой что-то вроде участка внутренней поверхности сферы. Однако двухмерные жители, как мы помним, не смогут заметить это искривление своего двухмерного пространства: для них оно по-прежнему остается плоскостью. Тем не менее, из-за ее кривизны они будут съезжать или соскальзывать по ней вниз, к ее центру, туда, где находится металлический шарик. При этом им будет казаться, что он притягивает их к себе, или оказывает на них гравитационное воздействие. Причем такое предположение является для них единственно возможным, т.к. они принципиально не в состоянии увидеть и понять истинную причину своего «притяжения» к шарику, которая заключается в искривлении их двухмерного пространства массой этого шарика. Примерно то же самое происходит и с нами. Колоссальная масса земного шара так искривляет наше трехмерное пространство (хотя мы, конечно же, этого не замечаем), что появляется гравитационный эффект. Говоря проще, не Земля притягивает нас к себе, а искривленное ее массой пространство как бы «придавливает» нас к ней.

Вернемся к примеру с листом-плоскостью.

Вновь представим лист ровным и прямым. Положим на его край какой-нибудь маленький легкий шарик (например, из пенопласта) и толкнем его. Он будет двигаться по прямой линии. Теперь опять поместим в центр плоскости тяжелый металлический шарик, который искривит ее, превратив в участок внутренней поверхности сферы. Понятно, что в данном случае маленький легкий шарик станет катиться в этой плоскости не по прямой линии, а по дуге. Двухмерным жителям будет казаться, что тяжелый металлический шарик искривляет его прямолинейный путь, хотя настоящая причина не прямой, а дугообразной траектории легкого шарика заключается в кривизне двухмерного пространства, которую его обитатели не замечают. Так и мы утверждаем, что Солнце искривляет силой своего притяжения прямолинейный путь Земли, хотя правильнее было бы сказать, что колоссальная солнечная масса, таким образом, искривляет трехмерное пространство, что Земля (как и другие планеты) движется в этом искривленном пространстве не по прямой, а, соответственно, кривой (замкнутой) траектории.

Теперь вспомним современную научную идею о том, что наша трехмерная Вселенная является безграничной, но не бесконечной по причине своей кривизны и замкнутости. В силу чего она такова? Согласно общей теории относительности огромнейшие массы великого множества мегаобъектов Вселенной искривляют ее и делают замкнутой.

Когда Эйнштейна спросили, почему общая теория относительности принесла ему мировую известность, в чем заключается ее выдающаяся роль в естествознании XX в., он образно ответил так: «Представьте себе, что по искривленному сучку дерева ползет слепой жучок. Замечает ли он кривизну этого сучка? Конечно же, нет. Напротив, ему кажется, что он движется вперед по прямой линии. Так вот, мне посчастливилось заметить то, чего не заметил слепой жук».

В заключение следует отметить, что эйнштейновское геометрическое объяснение гравитации как результата искривления трехмерного пространства под действием колоссальных масс объектов мегамира не лишено различного рода возражений. Оно не считается в сегодняшнем естествознании безупречным и не является общепризнанным. Тем не менее оно получило наиболее широкое распространение в современной науке, потому что в ней не существует других столь же простых, но вместе с тем удачных и глубоких объяснений природы гравитации, как то, которое было предложено Эйнштейном во втором десятилетии XX в.

Вопросы для самопроверки

Когда Эйнштейном были созданы специальная и общая теории относительности? В чем заключается основное различие между ними?

Чем является гравитация в обыденном представлении? Когда и кем был открыт закон всемирного тяготения? В чем он заключается?

Если по закону всемирного тяготения любые физические тела притягивают друг друга, то почему мы не наблюдаем, как притягиваются друг к другу повседневно окружающие нас объекты: книги, столы, автомобили, люди и т.п.?

Какие факты и явления природы объясняет закон всемирного тяготения? Каким образом он связан с движением планет вокруг Солнца? Насколько велика сила взаимного притяжения Земли и Солнца?

Была ли известна природа всемирного тяготения в эпоху классического естествознания? Каким образом объясняется гравитация в общей теории относительности Эйнштейна? В чем заключается необычность для обыденного сознания эйнштейновской трактовки природы гравитации?

Какими примерами-аналогиями можно проиллюстрировать утверждение о гравитационном эффекте как результате искривления трехмерного пространства под действием колоссальных масс мегаобъектов? Чем объясняется кривизна и замкнутость Вселенной с точки зрения общей теории относительности?

Если эйнштейновское объяснение природы гравитации не лишено возражений и не является общепризнанным, то почему оно получило наиболее широкое распространение в современном естествознании?

Планеты, звезды, галактики

Мегамир, как нам уже известно, — это область бескрайних космических просторов. Его главными объектами, по современным представлениям, являются звезды и планеты. Почти все вещество Вселенной (97%) сосредоточено в звездах. Они представляют собой физические тела гигантских размеров. Для пояснения скажем, что диаметр Солнца, которое является небольшой звездой, равен приблизительно 1400000 км, в то время как диаметр Земли — это приблизительно 12700 км, то есть Солнце превосходит Землю по диаметру примерно в 110 раз. А это значит, что по объему оно больше нашей планеты приблизительно в миллион раз. Звезды — это плазменные космические объекты. Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Первые три — это твердое, жидкое и газообразное. Одним из различий между этими тремя состояниями является температура. Так, например, вода при одной температуре может быть льдом (то есть может находиться в твердом состоянии), при более высокой — водой (жидкое состояние), а еще при более высокой — паром (газообразное состояние). Под плазмой, чаще всего, понимается вещество с огромной температурой. Проще ее можно было бы назвать раскаленным газом. Таким образом, звезды — это очень горячие газовые тела колоссальных размеров.

В недрах звезд температура достигает примерно 10 миллионов градусов. При таких условиях ни макротела, ни молекулы, ни даже атомы существовать не могут. Электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Такие атомы называются ионами. Лишившиеся электронов атомные ядра вступают во взаимодействия друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения, называемые термоядерным синтезом, являются источником огромного количества энергии, уносимой излучением звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет. Звезды выступают в качестве своеобразной «кузницы атомов» или «плавильного тигля» Вселенной: основная эволюция (развитие) вещества в ней происходила и происходит в недрах звезд. Благодаря протекающим в них превращениям элементарных частиц образуются атомные ядра, а на окраинах и в окрестностях звезд, где температура намного ниже, возникают атомы, которые, как известно, взаимодействуя друг с другом, приводят к образованию молекул, а те, в свою очередь, складываются в макротела (твердые, жидкие и газообразные).

Звезды существуют не изолированно, а в виде гигантских скоплений, которые называются галактиками. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 миллиардов галактик. Наша Солнечная система находится внутри одной из них. Эта Галактика состоит приблизительно из 120 миллиардов звезд (то есть в ней содержится 120 миллиардов космических тел, подобных Солнцу). Наша Галактика имеет форму утолщенного диска. Его диаметр равен 100 тысячам световых лет (то есть, чтобы попасть из одного конца нашей Галактики в другой, надо лететь 100 тысяч лет со скоростью света). Толщина галактического диска равна 1500 световых лет. Этот диск можно сравнить с толстым стеклянным блюдцем. Если мы посмотрим на него сверху, то какую геометрическую фигуру увидим? Круг. А если посмотреть на утолщенное блюдце сбоку, то мы увидим широкую линию. Если это блюдце разрезать пополам и посмотреть на его разрез, то видна будет также широкая линия. На темном небосводе в безлунную и ясную ночь можно увидеть огромную, тянущуюся через все небо широкую полосу белесого цвета. Это Млечный Путь, глядя на который мы видим именно разрез нашего галактического диска. Кстати, название «Млечный Путь» означает молочный, потому что он белесого цвета, а греческое слово galaktos — это родительный падеж от слова gala, которое переводится на русский как «молоко». Таким образом, Млечный Путь — это видимая часть нашей галактики.

Солнце и его девять планет находятся на ее окраине. Солнечная система вращается вокруг ядра галактики, делая полный оборот за 200 миллионов лет (так называемый галактический год). Ядро галактики состоит из очень плотного огромного скопления звезд. В настоящий момент Солнце движется в той части галактического пространства, где ядро закрыто от него пылевой туманностью (громадным облаком космической пыли). Через несколько миллионов лет Солнечная система выйдет из-за этой завесы и будет подвержена излучениям, идущим от ядра. Им будет подвергаться также и наша планета. Возможно, что если бы Земля не была защищена пылевой туманностью, а являлась открытой, то излучения галактического ядра влияли бы на состояние и развитие жизни на ней.

Галактики существуют не изолированно, а в виде скоплений, которые содержат в себе до нескольких тысяч отдельных галактик. Если, несмотря на огромные расстояния между галактиками (в десятки и сотни миллионов световых лет), провести сравнение между молекулами макротела и галактиками в скоплениях, то оказывается, что галактические скопления можно уподобить очень вязкой среде. Взаимодействующие скопления галактик образуют метагалактику. Греческая приставка meta обозначает над, сверх, более и т.д., то есть Метагалактика — это сверх- или супергалактика. Она включает в себя все известные нам космические объекты. Вопрос о том, как соотносятся понятия «Метагалактика» и «Вселенная», является спорным. В силу одной гипотезы метагалактика и Вселенная — это одно и то же. Однако современная наука допускает возможность возникновения и существования множества других миров или метагалактик кроме нашей метагалактики, называемых внеметагалактическими объектами. Все они вместе с метагалактикой и образуют Вселенную. Данное утверждение представляет собой вторую гипотезу.

В современном естествознании проблема рождения и эволюции звезд не имеет однозначного и общепризнанного решения. Согласно наиболее распространенной точке зрения звезды возникают из гигантских газово-пылевых туманностей под действием гравитационных и электромагнитных сил.

Помимо звезд важными космическими объектами являются планеты. Они представляют собой твердые физические тела, которые по своим размерам и массе намного меньше звезд. Планеты имеют сложную внутреннюю структуру, включающую в себя ядро, литосферу (от греч. lithos — камень) или твердую кору, а в ряде случаев — атмосферу и гидросферу. Звезды и планеты составляют планетные системы, одной из которых является Солнечная система. Поскольку вследствие огромных космических расстояний планетные системы других звезд ненаблюдаемы, то проблема происхождения планет рассматривается на примере Солнечной системы.

Первые гипотезы о ее происхождении были выдвинуты в разное время немецким философом Иммануилом Кантом и французским ученым Пьером Лапласом. Их предположения вошли в науку в качестве некой коллективной космогонической гипотезы Канта — Лапласа. Космогония (от греч. kosmos — мир, или Вселенная, и genesis — рождение, происхождение) — это наука о происхождении и эволюции как Вселенной, так и ее отдельных объектов. По гипотезе Канта — Лапласа Солнечная система образовалась из огромной газово-пылевой туманности, находившейся во вращательном движении, в результате которого в ее центре возникло сгущение, позже превратившееся в Солнце. Продолжение вращательного движения привело к образованию вокруг Солнца других сгущений, ставших впоследствии планетами.

Иную гипотезу высказал в прошлом столетии английский физик Джеймс Джинс. По его предположению Солнце некогда столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, остывая и сгущаясь, преобразовалась со временем в планеты. Однако колоссальные расстояния между звездами делают такое столкновение маловероятным. Кроме того, Солнечная система характеризуется упорядоченным устройством: все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и находятся почти в одной и той же плоскости, каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Последовательность расположения планет от Солнца такова: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Учитывая эти закономерности строения Солнечной системы, трудно предположить, что планеты являются осколками космической катастрофы.

Позже была предложена еще одна гипотеза, которую выдвинули шведский физик Ханнес Альфвен и английский физик Фред Хойл. Они утверждают, что первоначальное газовое облако, из которого образовались Солнце и планеты, было сильно ионизированным (состояло из ионов), и поэтому было подвержено влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации (сгущения) образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях — как раз там, где сейчас находятся планеты. Гравитационная и магнитная силы привели к сгущению этого газа, в результате чего образовались планеты. Вообще гравитационное и электромагнитное взаимодействия по современным научным представлениям обуславливают рождение и эволюцию не только планет, но также звезд и галактик, то есть, являются основными факторами многих процессов, происходящих во Вселенной. Все высказанные идеи относительно происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер. Назвать какую-либо из них достоверной (точной) современная наука не в состоянии. Дальнейшее исследование космогонических проблем остается делом будущего.

Помимо звезд и планет вещество Вселенной представлено также диффузной материей (от лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание). Она существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также гигантских облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной занимают различные виды излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

Принимая во внимание безграничные масштабы Вселенной и бесчисленное множество заполняющих ее мегаобъектов, вполне можно предположить, что среди колоссального количества звезд могут быть звезды, подобные нашему Солнцу, которые так же, как и оно, имеют свои спутники — планеты, некоторые из которых характеризуются наличием благоприятных для жизни условий. Таким образом, не исключено, что жизнь существует не только на планете Земля, и мы не одиноки во Вселенной. Причем вполне возможно, что жизнь в бескрайних просторах космоса может существовать как в менее развитых (вирусы и бактерии) формах, чем на Земле, так и в более совершенных, например, в качестве высокоразвитых, техногенных цивилизаций. По одной из гипотез жизнь на Земле является не следствием длительной естественной биохимической эволюции, а результатом сознательной деятельности представителей высокоразвитых цивилизаций, которые планомерно доставляют «семена» жизни на планеты с подходящими для этого условиями.

Вопросы для самопроверки

Что такое мегамир? Каковы его основные объекты?

Что представляют собой звезды? Какие физические процессы происходят в них? Почему звезды часто называют «кузницей атомов»?

Что такое галактики? Каковы основные характеристики нашей Галактики? Чем является видимый нами на ночном небосводе Млечный путь?

Что называется метагалактикой? Являются ли понятия «метагалактика» и «Вселенная» тождественными? Как образуются звезды по современным естественнонаучным представлениям?

В чем заключаются основные различия между звездами и планетами?

Какие гипотезы о происхождении Солнечной системы были высказаны в науке?

Какими еще видами представлена материя во Вселенной помимо звезд и планет?