1. Современная наука о природе, законы механики - Ричард Фейнман

Фиг. 7.6. Система двойной звезды.

Сравнивая с «фиксированной» звез­дой, мы видим, что ось пары повернулась, т. е. звезды ходят одна вокруг другой. Вращаются ли они в согласии с законами Ньютона? Тщательные замеры относительной позиции двойной звезды Сириус даны на фиг. 7.7.

Фиг. 7.7. Орбита Сириуса В по отношению к Сириусу А.

Получается превосходный эллипс (измерения начаты в 1862 г. и доведены до 1904 г.; с тех пор был сделан еще один оборот). Все сходится с законами Ньютона, кроме того, что Сириус А получается не в фокусе. В чем же дело? А в том, что плоскость эллипса не совпадает с «плоскостью неба». Мы видим Сириус не под прямым углом к плоскости его орбиты, а если на эллипс посмотреть сбоку, то он не перестанет быть эллипсом, но фокус мо­жет сместиться. Так что и двойные звезды можно анализировать в согласии с тре­бованиями закона тяготения.

Справедливость закона тяготения на больших дистанциях видна из фиг. 7.8.

Фиг. 7.8. Шаровое звездное скопление.

Нужно быть лишенным воображения, чтобы не увидеть здесь работы тяготения. Здесь показано одно из красивейших небесных зрелищ — шаровое звездное скопление. Каждая точка — это звезда. Нам кажется, будто у центра они набиты вплотную; происходит это из-за слабой чувствительности телескопа; на самом деле промежутки между звездами даже в середине очень велики, а столкновения крайне редки. Больше всего звезд в цен­тре, а по мере удаления к краю их все меньше и меньше. Ясно, что между звездами действует притяжение, т. е. что тяготение существует и на таких гигантских расстояниях (порядка 100 000 диаметров солнечной системы).

Но отправимся дальше и рассмотрим всю галактику (фиг. 7.9).

Фиг. 7.9. Галактика.

Форма ее явственно указывает на стремление ее вещества стянуться. Конечно, доказать, что здесь действует закон обрат­ных квадратов, нельзя; видно только, что и на таком протяжении есть силы, удерживающие всю галактику от развала. Вы може­те сказать: «Ладно, все это разумно, но почему же эта штука, галактика, уже не похожа на шар?» Да потому, что она вертится, что у нее есть момент количества движения (запас вращения); если она сожмет­ся, ей некуда будет его де­вать; ей остается только сплюснуться. (Кстати, вот вам хорошая задача: как образу­ются рукава галактики? Чем определяется ее форма? Детально­го ответа на эти вопросы еще нет.) Ясно, что очертания галак­тики определяются тяготением, хотя сложности ее структуры пока невозможно полностью объяснить. Размеры галактик — около 50 000—100 000 световых лет (Земля находится на рас­стоянии 81/3 световых минут от Солнца).

Но тяготение проявляется и на больших протяжениях. На фиг. 7.10 показаны какие-то скопления мелких пятен.

Фиг. 7.10. Облако галактик.

Это обла­ко галактик, подобное звездному скоплению. Стало быть, и галактики притягиваются между собой на таких расстояниях, иначе бы они не собрались в «облако». По-видимому, и на рас­стояниях в десятки миллионов световых лет проявляется тяго­тение; насколько ныне известно, всюду все еще действует закон обратных квадратов.

Закон тяготения ведет не только к пониманию природы туман­ностей, но и к некоторым идеям о происхождении звезд. В боль­шом облаке пыли и газа, подобном изображенному на фиг. 7.11, притяжение частиц пыли соберет их в комки.

Фиг. 7.11. Межзвездное пылевое облако.

На фигуре видны «маленькие» черные пятнышки — быть может, начало скопления газа и пыли, из которых благодаря их притяжению начинает возникать звезда. Приходилось ли нам когда-либо видеть рожде­ние звезды — вопрос спорный. На фиг. 7.12 дано некоторое сви­детельство того, что приходилось.

Фиг. 7.12. Образование новых звезд?

Слева показан светящийся газ, а внутри него — несколько звезд. Это снимок 1947 г. Сни­мок справа сделан через 7 лет; теперь видны уже два новых ярких пятна. Уж не скопился ли здесь газ, не вынудило ли его тяготение собраться в шар, достаточно большой, чтобы в нем началась звездная ядерная реакция, превращая его в звезду? Может быть, да, а может, и нет. Маловероятно, что нам повезло увидеть, как всего за семь лет звезда стала видимой, но еще ме­нее вероятно увидать рождение сразу двух звезд.

§ 6. Опыт Кавендиша

Итак, тяготение распространяется на огромные расстояния. Но если существует притяжение между любыми двумя объекта­ми, то должна существовать и возможность измерить силу, дей­ствующую между ними. И не обязательно следить за движением звезд; почему бы не взять два шара, свинцовый и мраморный, и не проследить, как один будет двигаться к другому? Трудность столь простого по идее опыта заключается в крайней слабости, незаметности сил. Проводить его следует с исключительной ос­торожностью: сначала выкачать из аппарата воздух, убедить­ся, что нигде нет электрических зарядов и т. д., и только тогда можно попытаться измерить силу. Впервые она была измерена Кавендишем при помощи устройства, схематически изображен­ного на фиг. 7.13.

Фиг. 7.13. Упрощенная схема прибора, использованного Кавен­дишем для проверки закона все­мирного тяготения для малых тел и измерения постоянной тя­готения G.

Опыт Кавендиша доказал, что существует си­ла, действующая между двумя большими закрепленными свин­цовыми шарами и двумя меньшими (тоже из свинца); в опыте шары размещались на концах коромысла, висящего на очень тонкой упругой нити. Измеряя, насколько закрутится нить, можно было узнать величину силы и убедиться, что она обрат-

но пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом точ­но определялся коэффициент G в формуле

F=Gmm'/r2

ибо все массы и расстояния здесь известны. Вы можете возра­зить: «Все это для Земли было известно и раньше». Все, кроме массы Земли. Определив из этого опыта величину G и зная силу притяжения Земли, можно было косвенно определить ее мас­су! Опыт поэтому называют «взвешиванием Земли». Кавендиш утверждал, что он взвесил Землю, хотя он только измерил коэф­фициент G; но это единственный способ определить массу Зем­ли. Коэффициент G оказался равным

6,670·10-11 ньютон·м2/кг2 .

Трудно преувеличить силу влияния теории тяготения, ее ве­личественных успехов на историю науки. Вместо царивших в прежние века неуверенности, сомнений, неполноты знаний, бес­конечных споров и парадоксов перед людьми предстал новый закон во всей своей четкости и простоте. Как важно было то, что все луны, все планеты, все звезды подчиняются столь простому правилу! Но еще важнее то, что человек оказался в состоянии понять это правило и предсказывать на будущее пути планет! Это определило быстрый, успешный рост науки в последующие годы; у людей появилась надежда, что и в других явлениях мира прячутся такие же простые закономерности.

§ 7. Что такое тяготение?

Но почему закон так прост? Что можно сказать о причине этого? До сих пор мы только описывали, как Земля обращается вокруг Солнца, но ни слова не сказали о том, что заставляет ее двигаться. Ньютон не строил догадок об этом; ему было доста­точно открыть, что происходит, не входя в механизм проис­ходящего. Но и никто другой с тех пор никакого механизма не открыл. Все физические законы отличаются в этом отношении своим абстрактным характером. Закон сохранения энергии — это теорема о величинах, которые нужно вычислить и сложить, не думая о причине этого; точно так же и великие законы меха­ники представляют собой количественные математические закономерности, о внутреннем механизме работы которых никаких данных нет. Почему мы можем пользоваться математикой для описания законов, не зная их причины? Никто и этого не знает. Мы продолжаем идти по этой дороге, потому что на ней все еще происходят открытия.

Предлагались многие механизмы тяготения. Интересно рас­смотреть один из них, ибо до него время от времени додумыва­лись то один, то другой ученый. Причем каждый сперва вос­прянет духом и ходит осчастливленный своим «открытием», но потом начинает понимать, что тут что-то не так. Впервые это открытие произошло примерно в 1750 г. Представьте себе, что в пространстве носится в разных направлениях с огромной ско­ростью множество частиц, лишь слегка поглощаемых веществом. Поглощаясь, они передают свой импульс Земле. Но так как во всех направлениях их количество одинаково, то все импульсы уравновешиваются. Когда же неподалеку находится Солнце, то частицы, приближающиеся к Земле сквозь Солнце, частично им поглощаются, так что от Солнца их проходит меньше, чем с обратной стороны. Следовательно, Земля ощутит импульс, на­правленный к Солнцу, и нетрудно видеть, что он будет обрат­ным квадрату расстояния: таков закон изменения пространст­венного угла, под которым видимо Солнце, с ростом расстоя­ния. Что же плохо в этом механизме? Неверны те выводы, кото­рые из него следуют. Появляется новая забота: Земля в своем движении вокруг Солнца будет испытывать больше столкнове­ний с частицами спереди, чем сзади (когда бежишь навстречу дождю, лицо мокнет больше, чем затылок!). Поэтому спереди Земля получит больше импульсов, чем сзади, и должна почув­ствовать сопротивление своему движению, а это сказалось бы на замедлении ее движения по орбите. Можно подсчитать, сколько времени понадобится Земле, чтобы в результате такого сопро­тивления остановиться; оказывается, не так уж много; а раз Земля все же движется по своей орбите, то вся эта механика не годится. И не было предложено ни одного механизма, «объяс­няющего» тяготение, который бы не предсказывал добавочных, несуществующих явлений.