След яблока давно простыл?

Ни об одном физическом феномене не известно так много и в то же время так мало, как о гравитации. Мы все, в любой момент времени, испытываем действие этой силы на себе. Однако ее природа и механизм ее действия до сих пор непонятны.

Конечно, четвертый закон Ньютона помнят многие. Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И все помнят апокрифический анекдот, связанный с этим законом, – впервые его рассказал в 1728 году Генри Пембертон, биограф знаменитого физика.

^{По теории Ньютона, два тела притягиваются друг к другу так, словно они соединены резиновой лентой}

Летний отдых в саду. Мечтания Ньютона грубо прерваны яблоком, упавшим ученому на макушку. Возмущение. Озарение. След яблока на голове Ньютона давно простыл, а идея пережила века, впечаталась в миллиарды учебников, втемяшилась в миллиарды голов. Столетиями без обиняков рассказывали этот милый анекдотец, хоть правды в нем не было ни на йоту, а кое‑кто до сих пор сомневается в правоте выводов Ньютона относительно природы гравитации. Согласно его теории, два тела притягиваются друг к другу так, словно они соединены резиновой лентой. С математической точки зрения, эта теория очень проста; она практически точно описывает все наблюдаемые феномены. Ее правота подтверждена и расчетным путем (вспомните планеты, открытые астрономами «на кончике пера»), и на практике (иначе невозможны были бы космические полеты).

Для нас ньютоновская теория тяготения – те же «дважды два» из области физики. Мы воспринимаем ее как нечто само собой разумеющееся. Современники Ньютона встретили ее с недоумением. Сразу посыпались вопросы. И чаще всего такой: «Почему сила тяготения действует бесконечно быстро?» Ньютон не нашел ничего лучшего, как представить гравитацию промыслом Божьим. Именно дух Господень пронизывает все мироздание и скрепляет его – гипотеза хоть и благочестивая, но не имеющая отношения к науке.

^{Согласно Эйнштейну гравитация – это результат искривления пространства}

Лет через двести после появления четвертого закона Ньютона, когда была точно измерена орбита Меркурия, зародились первые сомнения в его универсальности. В 1915 году Альберт Эйнштейн разрешил видимые противоречия, установив, что при скоростях, близких к скорости света, поведение тел меняется, а потому и закон всемирного тяготения выражается несколько иной формулой, чем было известно со времен Ньютона.

Согласно Эйнштейну, гравитация – это результат искривления пространства. Представьте себе, что космос похож на огромное, туго натянутое резиновое полотнище. На нем лежат металлические шарики разной величины. Будем считать их небесными телами. Под их весом в полотнище возникают углубления – эти искривления и есть «гравитация». Чем массивнее шарик, тем глубже «впадина» под ним. В эту ложбинку в пространстве‑времени поневоле скатывается все, что приблизится к шару. Гравитация, говорит Эйнштейн, это пространственная геометрия. Однако у современных физиков есть немало вопросов и к этой теории. Мы не можем пока описать действие гравитации в микромире. Эта область мироздания подчиняется законам квантовой механики, а потому частицы взаимодействуют здесь иначе, нежели мы привыкли себе представлять.

Неслучайно в последнее время вновь пробудился некоторый интерес к гипотезе швейцарских ученых XVII – XVIII веков Николя Дюилье и Жоржа Лесажа. Ее английское название – «Pushing Gravity» – можно перевести как «гравитация – это давление».

Основная идея подкупающе проста. Тела не притягиваются, а придавливаются друг к другу бессчетными невидимыми частицами, снующими всюду. Они в чем‑то аналогичны частицам света – фотонам. Любое тело равномерно окружено потоками этих частиц. Между любыми двумя телами возникает «гравитационная тень» (она подобна «световой тени», отбрасываемой нами в солнечный день), ведь, оказавшись сравнительно близко друг от друга, они перегораживают часть этих потоков. Количество «частиц гравитации» вокруг любых двух тел заметно больше, чем между ними. Так создается перепад давлений – та самая сила тяготения.

^{«Гравитация – это давление», – считал швейцарский ученый XVIII века Жорж Лесаж}

«Мне подумалось об этом, – писал Лесаж, – в один прекрасный день, когда я наблюдал за каретой. Лошадь вовсе не тянула карету за собой; она надавливала на упряжь… Растягивающее усилие на поверку оказалось сдавливающим!»

Следующее сравнение поможет понять эту парадоксальную идею. Представьте себе, что вы нырнули в воду. Кажется, какая‑то непонятная сила тянет вас наверх – словно десятки незримых веревок привязаны к вашим рукам и ногам! Вы заблуждаетесь: вас выталкивает наверх вода. Ведь давления внутри жидкости на разных уровнях неодинаковы. Разность давлений и создает выталкивающую силу.

Одновременно эта гипотеза объясняет природу еще двух загадочных феноменов: инерции и релятивистского возрастания массы. Снова прибегнем к сравнению. Допустим, вы забрасываете в воду сеть. Если вы тянете сеть очень медленно, то почти не чувствуете сопротивления воды. Если потянуть сеть быстрее, она натягивается и тянуть ее становится все труднее. Она словно прибавляет в весе. Вот так, по теории Эйнштейна, с увеличением скорости движения тела возрастает его масса.

Вот еще один важный вывод из этой теории. Дальность действия силы гравитации вовсе не бесконечна. Расчеты показывают, что она составляет около 3 тысяч световых лет. В таком случае решается проблема, волновавшая еще Ньютона: взаимная сила притяжения всех космических тел так велика, что они неминуемо должны устремиться навстречу друг другу, как россыпь металлических опилок, если поместить посреди них мощный магнит. Если же радиус действия силы гравитации ограничен, то этого не произойдет.

Однако теория Лесажа была в свое время обоснованно отвергнута. Вот, например, почему против нее возражал известный математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Во‑первых, эта теория предполагала, что материя состоит в основном из пустот, и это казалось бессмыслицей. Это теперь мы знаем, что электроны – это крохотные островки, затерянные в огромном, как океан, атоме. Примерно на 99,999 процента любой атом состоит из пустого пространства. Во‑вторых, по расчетам Лапласа, эти таинственные частицы должны были двигаться быстрее света. Ученый отверг это предположение. В‑третьих, теория ему не понравилась – и все тут.

Крупнейший британский физик XIX века Джеймс Максвелл тоже раскритиковал эту теорию. Предположив, что все тела поглощают частицы гравитации, он подсчитал, чем это может грозить. Выходило одно из двух: либо все тела разогреются до такой степени, что немедленно испарятся, либо их масса возрастет настолько, что планеты сойдут со своих орбит.

Энтузиасты этой теории подчеркивают: «Если гравитация обусловлена действием особого рода частиц, значит, можно как‑либо защититься от них». Однако опыты, поставленные ими, не впечатляют коллег.

Впрочем, иногда опыты ставит сама природа. Вот что происходит во время полного солнечного затмения. По теории Ньютона, силы гравитации, создаваемые Солнцем и Луной, просто суммируются – независимо оттого, закрывает ли Луна Солнце или нет. По теории Лесажа, в момент солнечного затмения сила гравитации должна измениться, поскольку Луна, заслонив Солнце, оказалась внутри его «гравитационной тени». Результаты наблюдений получались противоречивыми, но чаще всего они соответствовали теории Лесажа.

Вот, например, в 2000 году авторитетный журнал «Physical Review Letters» опубликовал данные, полученные китайскими физиками во время полного солнечного затмения, наблюдавшегося 9 марта 1997 года. Согласно им, сила гравитации заметно менялась в начале и конце затмения.

Однако, по большому счету, эти данные тоже ничего не доказывают. Измерять действие гравитации на различные объекты, находящиеся на нашей планете, крайне трудно, поскольку эта сила очень мала, а погрешность полученных результатов, наоборот, велика. Лучше всего изучать действие гравитации на примере космических объектов.

Например, околоземные спутники периодически оказываются в земной тени. Наша планета закрывает их от Солнца. По результатам наблюдений, которые проделал физик Том ван Фландерен, соавтор выпущенной в Канаде книги «Pushing Gravity», в момент этого «затмения» приборы, установленные на спутниках, фиксируют некоторое изменение гравитации. Возможно, этот факт подтверждает гипотезу Лесажа; возможно, причина в чем‑то ином.

Не исключено, что гравитоны удастся обнаружить весной 2006 года, когда закончится эксперимент, проводимый сейчас на околоземной орбите, на борту зонда «Gravity Probe В». Этот эксперимент должен показать, возникает ли гравитация лишь в результате искривления пространства, как считал Эйнштейн, или же ее создает некое неизвестное пока силовое поле – «поле гравитонов».