Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Поскольку гравитация — это универсальная сила, она стремится сжать массивные частицы в максимально компактную форму, то есть в сферу. Это получается только в том случае, если материя становится тягучей, как патока, а для этого материальное тело должно быть очень сильно сжато своей собственной силой тяготения. Так как лёд проще сжать, чем камень, пороговая масса ледяных тел отличается от пороговой массы каменных. В Солнечной системе все ледяные тела более 600 километров в диаметре являются круглыми, а меньшие имеют форму картофелин. Для каменных тел пороговый диаметр равен примерно 400 километрам.

Итак, форма небесного тела определяется силой гравитации, которая сжимает материю, а также электромагнитной силой, делающей материю твёрдой, чтобы та могла противостоять гравитации. Значение электромагнитной силы, действующей между протоном и электроном в атоме водорода, самого лёгкого из всех элементов, примерно в 10 40(10 с 40 нулями) раз больше, чем значение силы притяжения между ними. Поэтому для того, чтобы сила притяжения перевесила, в одном месте должно собраться очень много атомов. Вот почему гравитация побеждает только для тел диаметром 400–600 километров.

Здесь есть ещё один тонкий момент. Сила притяжения действительно увеличивается по мере наращивания массы материи. Именно масса нашей планеты прижимает ваши ступни к земле. Но гравитация — это не только сила, с которой объекты побольше воздействуют на объекты поменьше. Это взаимная сила, с которой тела, обладающие массой, влияют друг на друга. Земля воздействует на наши тела с силой тяготения, и наши тела отвечают ей тем же. Но, несмотря на это, мы знаем, что можем упасть в направлении Земли, а вот Земля почему-то не падает в направлении нас. Здесь в дело вступает инерция — присущая всем телам, обладающим массой, реакция сопротивления любым изменениям в своём движении.

Тела с большей массой сильнее сопротивляются попыткам сдвинуть их с места (на самом деле в этом и заключается определение массы). Земля во много раз массивнее человека, поэтому и сдвинуть её нелегко. Британский комик Энди Гамильтон был прав, когда шутил: «Так вот почему меня всё время тянет к крупным женщинам, а их ко мне — нет!». [27] It’s Only A Theory. — BBC Four. — 2009. Вообще, крупных женщин тоже тянет к Гамильтону, но из-за того, что их масса больше, его гравитационное влияние на них меньше. Земля действительно начинает падать навстречу вам или яблоку, только это движение практически незаметно. Философ Э. Грейлинг говорил: «Сидя в своём саду, Ньютон увидел то, чего никто не замечал до него: как яблоко притягивает к себе весь мир, а весь мир — яблоко, и что это происходит благодаря силе взаимодействия, охватывающей в своём бесконечном объятии все тела, вплоть до звёзд и планет». [28] Grayling A. C. The Good Book. — London: Bloomsbury, 2013.

«Миллионы людей видели, как падают яблоки, — говорил американский финансист Бернард Барух, — но лишь Ньютон задался вопросом почему». [29] New York Post. — 24 June 1965.

Для того чтобы понять, что Луна падает и в то же время остаётся для наших глаз на месте и что при этом на неё действует та же сила, которая заставляет яблоко упасть с дерева, требовалось огромное воображение. В те времена небо считалось обиталищем ангелов и самого Бога, которые, по представлениям греков, состоят из эфира, пятого элемента, полностью отличного от четырёх земных стихий — земли, огня, воздуха и воды. Но Ньютон не делал никаких различий между земным и небесным миром. В мире, где всё ещё преобладала религиозная догма, он оказался достаточно смелым, чтобы спустить небо на землю. Поведение тел на Земле управляется теми же законами, что и во всей Вселенной. Существуют универсальные законы, то есть такие, которые действуют в любом месте и в любое время . И Ньютон, человек, живший на заре научной мысли, чей отец не умел писать и вместо подписи ставил крестик, проник своим умом в самое сердце природы и увидел один из таких законов.

Это было первое из великих научных объединений. Позже Чарльз Дарвин объединит человечество со всем животным царством, Джеймс Клерк Максвелл соединит электричество, магнетизм и свет, а Альберт Эйнштейн скажет, что пространство, время и гравитация — это одно целое. Современные физики мечтают о всеобщем объединении (как бы они его ни понимали) гравитации и квантовой теории, описывающей мир атомов и субатомных частиц.

Но закон Ньютона был не просто универсальным, он был простым. «Истина всегда в простоте, а не в приумножении и беспорядке вещей», — писал Ньютон. [30] Фрагменты из «Treatise on Revelation». Manuel F. E. The Religion of Isaac Newton. — Oxford: Oxford University Press, 1974. Если бы закон гравитации не был так прост, житель XVII века, пускай даже и обладающий ньютоновской гениальностью, никогда бы его не открыл. Только подумайте, как удачно всё сложилось. Вселенная на фундаментальном уровне вполне могла бы управляться сложными законами, совершенно недоступными небольшому мозгу прямоходящей обезьяны, чьи предки ещё недавно жили на деревьях в Восточной Африке. Но это не так. Законы Вселенной просты.

Следуя примеру Ньютона, другие учёные тоже начали искать и находить простые законы. Вера в то, что они существуют, — это непризнанная религия физики, путеводная звезда, освещающая физикам путь во мгле. Никто не знает, почему фундаментальные законы Вселенной так просты и доступны для математики. Но 350 лет назад Ньютон первым показал человечеству, что это так. [31] Я рассуждаю о простоте Вселенной в шестой главе своей книги «The Never-Ending Days of Being Dead» (Faber & Faber, 2007). Во второй главе той же книги я пишу о том, что эта простота может быть иллюзией из-за того, что физики фокусируются лишь на самых простых элементах окружающего мира. А в восьмой главе своей книги «The Universe Next Door» (Headline, 2002) я размышляю о том, почему Вселенная познаваема с помощью математики.

Универсальный закон Ньютона описывает гравитационную силу, действующую между частицами материи. На самом деле, как первым из учёных понял Ньютон, частицы и силы — это всё, из чего состоит Вселенная. «Силы гравитации, магнетизма и электричества распространяются на существенные расстояния, и мы наблюдаем их действие, — писал Ньютон. — Но могут существовать и другие силы, действующие на малых расстояниях и потому избегающие нашего взгляда... Может существовать сила, которая при близком контакте окажется очень мощной для проведения химических операций, но при этом распространяется на малые расстояния от частиц». [32] Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. — 1704. — Книга третья. — Вопрос 31. Сегодня мы знаем, что за «химические операции», как называл их Ньютон, отвечает электромагнитная сила и что существует ещё две фундаментальные силы природы, которые «избегают нашего взгляда», но действуют очень активно на небольших расстояниях.