7.2. 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?