Парадоксы гравитации

Парадоксы гравитации

29

«Парадоксы» Гравитации

Перед нами - безумная теория.

Вопрос только в том,

достаточно ли она безумна,

чтобы быть правильной.

Нильс Бор

Генри Роланд основатель и президент Американского физического общества в своей речи по случаю первого заседания задал вопросы, которые и по сей день определяют поле деятельности фундаментальной физики: «Что такое материя, что такое гравитация, что такое Эфир и проходящее сквозь него излучение, что такое электричество и магнетизм? Все это - великие проблемы Вселенной». Это было сказано в 1899 году.

С тех пор прошло почти сто десять лет. И хотя одни проблемы уже сняты, а другие решаются, главная - покорение Вселенной, остается вечной и, видимо, будет таковой являться для всех последующих поколений землян. Давайте поговорим о полетах в загадочную Вселенную, об электричестве и магнетизме, неуловимом Эфире и самом лучшем цементе в мире - гравитации.

Пусть нынче ракеты, со скоростью света, проносятся звездным путем…

Стремление человека, подняться в небо, уходит в глубокую древность. И когда Природа - Мать, производила естественный отбор, она не стала ему приделывать крылья. Это превращение она совершила с птицами, потому что, подари она перья человеку, он так никогда и не стал бы мыслящим, а тупо парил над землей и ловил мошек. Но вот думать и работать руками стали бы динозавры, которые к моменту появления человека уже, почему-то, вымерли. В те, ужасно далекие времена, Природа понимала, что только отсутствие того или иного орудия труда, средства передвижения, или пропеллера Карлсона, заставит человека думать, а, значит, в конечном итоге, и вырваться в космическое пространство.

Создавая человека, все, кто приложил к этому руку, добивались одного:

человечество не должно остаться вечно на Земле!

С тех пор, каждый раз, устремляя свой взор в небо, этот мыслящий, но пока еще ползающий по земле индивид, задавался одной только мыслью: «Почему он, рожденный ползать, летать не может?»

А летать хотелось, и очень сильно.

Но каждый раз, когда он пытался оторваться от земли, сиганув с обрыва, какая-то неведомая сила, вырвав его из голубого неба, со всего размаху била головой об эту землю, и человек, зажав боль в кулаке, уже в который раз задавал себе второй вопрос: «Как же найти эту чертову подъемную силу, что не дает птицам упасть?» Он еще не знал, что через много, много лет русский ученый Жуковский скажет всем, кто так завидовал птицам, что полетят они, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.

Человек прыгал снова. Но результат был один: сломанные ребра.

О неведомой силе, бросающей человека вниз, он пока не задумывался. Падение и разбитый нос были так обыденны и ежедневны, что считались законом природы, на который вообще не стоило обращать внимания, в жизни были проблемы поважнее.

Но шли годы, и как раз, именно причину разбитого носа, человек разгадал первой, а потом уже дошла очередь до птичьего крыла, пропеллера и реактивного двигателя.

Закон Всемирного тяготения великий Ньютон опубликовал незадолго до того дня, как Петр Первый заложил Петербург. Каких-то 300 с лишним лет назад. Но открыл он его за двадцать лет до публикации.

Очевидно, это открытие так потрясло физика, что он двадцать лет не решался о нем говорить, и все эти двадцать лет обдумывал правильность своих выводов.

Они оказались правильными. С тех пор, разгадав причину падения, человек всеми силами своего разума, пытался эту причину обмануть. Он ухлопал годы, миллионы денег и многие свои жизни, чтобы, наконец, оторваться от земли, и, как только что вылупившийся птенец, начать медленно, но верно, осваивать воздушный океан.

Он не собирался ловить мошек, вить гнезда высоко под крышей, или, взлетев на трубу, сидеть там стаей. Нет, он просто хотел летать, любоваться землей с высоты, на этот раз, птичьего полета, пересекать океаны и стремиться все выше и выше и выше…

А выше, воздух заканчивался. И за воздухом начиналась пустота, названная Космосом, размеры которого были бесконечны.

Вот тут и появился очень разумный человек, который понял, как в этот Космос можно попасть.

Ракета была известна давно. Китайцы их запускали тысячу лет назад, но чтобы сесть на нее и полететь, умным китайцам в голову не приходило.

Додуматься до этого, сумел скромный калужский учитель - Константин Эдуардович Циолковский.

Циолковский «посадил» человека в эту самую ракету и, залив баки топливом и окислителем, включил зажигание. Ракета улетела в бесконечный Космос.

Однако, перед тем, как запускать ракету, Константин Эдуардович произвел расчет и доказал, что масса топлива и окислителя должна быть в тысячи раз больше массы человека, по фамилии Гагарин, которого в недалеком будущем запустит Королев. А это означало только одно: для того, чтобы забросить «Туда» груз побольше, ракета должна иметь огромные размеры.

Всемирное тяготение выставило человечеству миллиардный счет. Хочешь меня преодолеть - плати. Делать было нечего, платили, платим, и будем платить.

Вот тогда и возникла идея, а не отменить ли вообще, этот, мешающий жизни закон?

Ну, во-первых, самой жизни, без этого закона, просто не было. А, что касается полетов, то об этом стоило подумать. Думать, начали давно, и очень многие, вспомним, хотя бы, Герберта Уэллса с его знаменитым кейворитом. Отменить притяжение, вообще, нельзя. Но если сделать это, в масштабе той же ракеты, то полет станет возможным, да к тому же и сказочным. Представьте себе космический аппарат, стоящий на земле, и который ничего не весит. Его ничто не тянет вниз. Включили слабенький двигатель, и корабль пошел вверх. Пусть ему сначала мешает атмосфера, но это пара сотен километров, а там, уже пустота. И при небольшой тяге он очень быстро наберет огромную скорость и покинет Солнечную систему.

Как следует из современных достижений науки и техники, в этой области прорыва пока нет.

Хотя, как сказать, как сказать. Талант, он талант во всем. Тот, кто первым вырвался в космос с помощью химической ракеты, уже тогда взял гравитацию за горло и использовал ее задолго до открытия антигравитационного двигателя.

Сергей Павлович Королев первым в мире применил удержание ракеты гравитационными замками. И как только ракета развивала тягу равную ее весу, земное притяжение отбрасывало фермы с противовесами в стороны, и ракета спокойно улетала от Земли…

Но летать далеко (желательно к звездам), очень хотелось, и человек, ломая голову над этой проблемой, придумал две, пускай пока и фантастические, но, в подсознании, реальные ракеты. Первую, основанную на знаменитой формуле Эйнштейна E = mc?. А вторую - полевую, на законе Ампера.

Первой ракете дали название - фотонная, а, значит, работать она будет не на керосине, а на свету!

Принцип оказался простым: каким-то способом получаем очень яркий свет, направляем его на отражатель. Свет, отражаясь, летит в одну сторону, а ракета, с отражателем, в другую.

Вопрос: как получить такой яркий свет?

Ответ - из формулы Эйнштейна. Если удастся превратить массу «m», чего-либо, в энергию, то ее величина будет равна mc?, где «с» - скорость света.

Преобразовать массу в энергию можно с помощью реакции аннигиляции (исчезновения) - это, если в одну точку подать вещество и антивещество. Соединившись, они, через мгновение, превратятся в фотоны, и со скоростью света улетят от ракеты, толкая ее в обратную сторону.

Практических проблем у этой ракеты будет очень много. Это - получение антивещества в больших количествах, и его хранение. Это и полет с околосветовыми скоростями, когда налетающие встречные частицы будут убивать все живое, как при атомном взрыве. Но с этим можно справиться.

А вот изготовить нужное зеркало будет очень сложно.

Его коэффициент отражения должен быть равен ровно ста процентам.

При реакции аннигиляции выделяется максимально возможная энергия, и она огромна. Стоит зеркалу не отразить хотя бы ничтожную его долю - оно мгновенно испарится. Это и будет самой сложной технической задачей.

Конечно, летать такая ракета сможет только в открытом Космосе, причем подальше от Земли (сожжет все), да и имея немалую начальную скорость.

Но если она заработает - то, почти догонит луч света!

А это уже прямой путь к звездам.

Второй принцип - полевой. И если о первом знают почти все, то о втором - очень немногие.

Выражаясь доступным и простым языком, можно сказать, что это Мюнхгаузен, вытаскивающий себя и свою лошадь из болота за собственные волосы!

Для большинства землян это парадокс, но для ученых голов - обычное дело.

Так в чем же секрет полевого двигателя?

В тысяча восемьсот двадцатом году ученый, по фамилии Ампер сделал открытие, благодаря которому, в скором времени, появился электромагнит, электромотор, а после - радио, кибернетика и многое такое, что стало техническими потомками этого фундаментального открытия. Я уже не говорю о силе тока, измеряемого амперами!

Само открытие состояло в способности двух параллельных проводников притягиваться или отталкиваться, если по ним пропускали электрический ток. Выходило, что ток, пробегая по проводам, создавал магнитные поля, которые и взаимодействовали между собой. А с какой силой притягиваются магниты, знает каждый ребенок.

Вот этот принцип и решили использовать теоретики. Они поставили на тележку два параллельных провода и пустили по ним переменный ток. Провода стали притягиваться и отталкиваться, но тележка осталась стоять на месте. Точно так же и барон Мюнхгаузен, сам себя, да еще и лошадь, никогда бы из болота вытащить не смог.

Но хороший инженер, тем и отличается от фантазера барона, что, назло всему, обманывает Законы Природы, и… заставляет тележку ехать.

Ученые рассуждали так: если пропустить ток по одному проводнику, то, появившееся поле, полетит во все стороны, параллельно ему. После этого ток выключаем. Поле, механически, уже не связано с проводником, а существует само по себе. Как только оно подлетит ко второму проводнику, подаем ток на второй проводник, но в обратном направлении. Возникающие силы отталкивания, толкнут второй проводник вперед, а значит и тележку.

Поскольку скорость поля равна скорости света, то за это, очень короткое время, пока оно летит между проводниками, надо успеть выключить первый ток, потом включить и выключить второй. И повторять это часто и много, много раз. Тележка покатится с ускорением. Для увеличения времени полета поля между проводниками, на звездолете их разнесли на несколько километров, а провода заменили электроразрядниками: что-то вроде электрошока. И ракета стала разгонять саму себя, не выбрасывая в пустоту ничего «лишнего».

Фотонный и полевой ракетные двигатели, при любых к ним подходах, остаются, пока сказкой, но сказкой твердо стоящей на научной платформе.

А вот двигатель, способный управлять гравитацией, был, есть и будет не просто сказкой, а легендой, сопоставимой с жизнью на Марсе, о которой все читали, верят, но когда эту жизнь найдут - науке неизвестно.

Лектор по распространению, из «Карнавальной ночи», знал, что говорил, хотя и был пьян.

Великий путаник Эфир

Перед тем, как перейти к гравитации, поговорим об Эфире, проблему которого наука решила в 1905 году.

Не будем обращаться к древним, уж очень давно они жили, да и их понятия об Эфире были скорее сказочными, чем научными. Хотя для истории науки они имели определенное значение.

Перейдем сразу к Гюйгенсу и Ньютону. Эти два великих физика разделили свет на две составляющие. Позже это назовут дуализмом, а тогда каждый отстаивал свою теорию и не признавал другую. Весь скандал состоял в том, что Гюйгенс считал свет волнами, а Ньютон частицами. Но оба приходили к одному выводу: для распространения света необходима среда, как воздух для звука. И эту среду они назвали Эфиром.

Вынужденный уединиться в деревне после «чистки» 1815 года, проведенной наполеоновским правительством Ста дней, инженер службы мостов и дорог, раньше и не думавший заниматься физикой Френель, на досуге много и глубоко размышлял о тайнах света. Но, не имея, ни опыта, ни денег, он вынужден был обходиться весьма примитивными устройствами, что отнимало много времени и трудов для постановки даже простых экспериментов. Проведя большое количество опытов, Френель приходит к выводу, что свет это все-таки колебания, и колебания эти идут не вдоль, а поперек распространения световой волны. Но самое главное, что для этого необходимо наличие особой среды, в которой эти колебания происходят. А среда эта должна иметь свойства твердого тела по качеству не хуже лучших сортов стали. Вот так с легкой руки француза Френеля в науку вошел Эфир, удивительное вещество, поперечные колебания которого и есть свет. Предполагалось, что Эфир заполняет все мировое пространство, проникая во все прозрачные тела, которые сами по себе не участвуют в передаче света.

После недолгого ворчания, ученый мир признал незаконнорожденное дитя путейского инженера. Эфир надолго пережил своего родителя. Френель, сломленный туберкулезом, умер в тридцатидевятилетнем возрасте в полной уверенности, что Эфир существует.

Теперь поговорим о свойствах Эфира:

Эфир прозрачен, как воздух, но тверд… как камень, Эфир должен колебаться в такт со световой волной, значит его упругость в сто тысяч раз выше, чем у стали! При этом он должен обладать бестелесностью привидения. Он не препятствует движению планет. И главное, - он не проявляет себя ни в каких опытах.

Все это принудило ученых признать Эфир исключительной средой, обладающей крайне противоречивыми свойствами.

Шли годы, наука взрослела, и вот после кропотливой работы английский ученый Максвелл создал теорию, где электрические и магнитные явления были объединены в понятие электромагнитного поля, куда был включен и свет. На основании этой теории были выведены четыре очень компактных уравнения, которые сообщали, что свет это электромагнитные волны, способные распространяться в пустоте так же легко, как и в прозрачных телах. Причем из этих уравнений следовало, что эти электромагнитные волны могут существовать сами по себе.

Мало кто из физиков хотел ломать себе голову над этой безумной теорией. Обратите внимание, что и через двадцать лет после ее создания в смысл теории проникли лишь несколько физиков.

Всем хороши были уравнения. Они не содержали лишь одного - в них не было ничего относящегося к световому Эфиру и его поразительным свойствам.

Эфир просто остался за бортом теории Максвелла.

И когда через 12 лет Генрих Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией электромагнитные волны, большинство физиков признали их, как особые натяжения Эфира, не желая отказываться от призрака Френеля.

Вот в это самое смутное время в науку вошел провинциальный юноша Генрих Лоренц. Он познакомился с теорией Максвелла случайно, обнаружив в библиотеке физической лаборатории Лейденского университета, нераспечатанный конверт со статьями английского физика.

Эти работы в Лейдене никто не читал. Большинству лейденских физиков они были не по зубам. Но юному студенту они показались откровением.

Проходит время и Лоренц приступает к написанию докторской диссертации (к тому времени, в 18 лет, он уже кандидат наук), где решает задачу об отражении и преломлении света согласно электромагнитной теории. В этой диссертации двадцатидвухлетний Лоренц с легкостью показывает, как просто решаются теорией Максвелла все загадки отражения и преломления света.

Впоследствии Лоренц, верный своей первой влюбленности, существенно развил теорию Максвелла, введя в нее наряду с электромагнитными полями атомы электрического заряда - электроны. Так в теорию Максвелла были введены элементы атомистики.

Электромагнитная теория, и ее улучшенный вариант, - электронная теория одерживали одну победу за другой. С их помощью удалось объяснить все известные в то время процессы. Более того, теория предсказывала еще не известные явления, и эти предсказания блестяще сбывались.

Сторонников Эфира было еще очень много, и они выдвинули теорию, согласно которой все, что летит сквозь Эфир, летит как сквозь воздух на поверхности Земли. Значит должны проявляться те же явления, что и в атмосфере.

В то время ученые не сомневались в том, что океан светоносного Эфира, проникающий во все тела, заполняет всю Вселенную. Считалось, что Эфир повсюду одинаков, неизменен и неподвижен.

Значит, являясь неподвижным относительно любых вселенских движений, эфир является абсолютной системой отсчета, и, наблюдая за распространением света, можно определить, движется ли лаборатория относительно океана Эфира или нет.

Это могло означать только одно: при движении по Вселенной должен возникать эфирный ветер.

И если Эфир существует, то эфирным ветром будет обдуваться как Земля, так и все, что движется в этом мире.

Вот это и решили поймать ученые.

Один из самых искусных экспериментаторов, американский физик Майкельсон (получивший за это Нобелевскую премию), решил проверить, можно ли в соответствии с предсказаниями теории определить скорость, с которой Земля, вращаясь вокруг Солнца, перемещается в океане Эфира?

Теория была проста. Если пустить луч света по ходу движения Земли, то к скорости света прибавится ее скорость - 30 км/сек, а если поперек, то скорость не изменится. Взяв разницу, получим искомую величину, не выходя из лаборатории.

Изготовив очень точный интерферометр и используя вращение Земли вокруг своей оси, Майкельсон не получил положительного результата.

Выходило, что эфирного ветра нет, как нет и самого Эфира.

Физики мира пребывали в растерянности. Было выдвинуто несколько спасающих идею теорий, но они ничего не дали. Эти теории опирались на классическую физику.

Одна из них, разработанная Лоренцем, и много сделавшего для торжества релятивизма, предполагала сокращение длин тел вдоль направления движения. Но тогда, все попытки, измерения скорости, сводились к нулю.

Здесь требовалась революция.

Эту революцию произвел гений Эйнштейна.

Проанализировав всю сумму опытных данных, он сделал ряд заключений, которые совершили переворот в физике, и новая физика стала называться Теорией относительности, или Релятивистской.

Два постулата этой теории гласили, что скорость света везде постоянна, а всё движение по инерции является относительным. И, значит, абсолютных систем отсчета просто не существует.

Самое же главное, что вытекало из этой теории, это то, что никакого Эфира в природе нет.

Вот так закончилась история Неуловимого Ничто.

Но физика не одинока в подобных заблуждениях, и появление ложных, для будущих поколений, теорий, в науке нормальное явление.

Человечество не могло сразу правильно объяснить все явления природы.

Отсюда и геоцентрическая система мира Птолемея, продержавшаяся полторы тысячи лет, и поиски философского камня, превращавшего ртуть в золото.

И теория флогистона, оказавшегося, в конце концов, кислородом, весьма поучительная для истории науки. Но химики признали эфемерность флогистона, а некоторые физики, до сих пор, не могут представить себе жизни без эфирного океана. И считают, что, исключив его из своего сознания, они задохнутся в пустоте космического вакуума.

Небезызвестный академик Лысенко, тоже задыхался без своей теории превращения одних видов растений в другие, прямо на полях, но там было больше политики, чем «ученой» глупости.

И именно он, Лысенко, средневековыми методами, облаивал научный гений Николая Вавилова, добившись у современной ему инквизиции казни генетика, что и отбросило нашу страну далеко назад не только в биологии, но и в кибернетике тоже.

«Черная дыра», она и в Африке черная

То, что я хочу рассказать о гравитации, скорее не парадоксы, а вечный вопрос Генри Роланда: «Что это такое?». Вообще, слово «парадокс» имеет несколько значений. Одно из них подразумевает своеобразную точку зрения, отличающуюся оригинальностью и расходящуюся с общепринятой. Вот я и выскажу эту «точку» по проблемам гравитации, ее физической сущности. Математических теорий существует множество. Не буду брать классическую Общую теорию относительности, но, изучая историю физики, я убедился в том, что, практически, все физики, в той или иной мере, пытались разгадать тайну Всемирного тяготения. Однако, при всем обилии идей, заполняющих научные издания, на сегодняшний день, существует всего лишь одна, разработанная очень давно Лесажем, теория, которая, хотя и оказалась ошибочной, заставила поработать многие умные головы своего времени.

Есть масса общеизвестных фактов, которые помогут, в какой-то мере, хотя бы выбрать направление поисков истины.

Начнем с самого главного - формулы Закона Всемирного тяготения. Ее простотой и элегантностью ученые восхищаются уже более трехсот лет. На основании этой формулы, триста лет рассчитываются орбиты планет, сегодня - межпланетных станций. Вся Вселенная подчиняется этому Закону, но дальше формулы, дело не идет. Всем кажется, что при всей простоте математического изложения, простой должна быть и физическая сущность, но проходят годы, а ответа на этот вопрос до сих пор нет. Создается ощущение, что природа, подарив закон, принцип его, спрятала за семью замками.

Здесь складывается ситуация, обратная электромагнитной.

Там Фарадей на опытах получает электромагнитную индукцию, а затем Максвелл, выводит свои знаменитые уравнения.

С гравитацией так быстро и красиво не получается.

Итак, формула. В нее входит всего лишь три величины: произведение масс тяготеющих тел и квадрат расстояния между их центрами.

Вот и все!

Гравитационная постоянная это коэффициент, который подтверждает именно малость сил тяготения.

Уже сама формула говорит о том, что никаких третьих участников, создающих притяжение, кроме этих двух тяготеющих масс нет. В теории Лесажа, как раз, силу и создают эти третьи, летающие по всей Вселенной гипотетические частицы - гравитоны, которые даже в отсутствие масс, существуют всегда.

Исходя из этого, делаем первый основополагающий вывод: то, что называется тяготением, рождается только веществом Вселенной имеющим массу покоя. А поскольку все вещество состоит из элементарных частиц, то, начиная с них, по мере роста массы, растет напряженность гравитационного поля, слагаемая из маленьких полей электронов, протонов и нейтронов. Здесь классически срабатывает принцип суперпозиции полей. Элементарные поля, по мере роста массы, вырастают в грандиозные поля галактик и всей Вселенной.

Тут же можно смело утверждать, что, из чего бы ни состояло гравитационное поле, это что-то не должно иметь электрического заряда, даже самой малой величины. При таких огромных массах, как звезды, а звезды могут быть в тысячи раз больше нашего Солнца, суммарный заряд поля привел бы к его разлету, оно равномерно заполнило Вселенную, как реликтовое излучение, а это исключает островную Вселенную в течение многих миллиардов лет.

Страницы: 1, 2