Роман Подольный - Чем мир держится?

Вот такие маятники и стали главными приборами на первых гравиметрических станциях, покрывших нашу планету довольно густой сетью уже с конца XIX века.

Впрочем, наиболее точно и бесспорно ускорение земного тяготения определяется самым прямым образом: наблюдением за тем, как падает пробное тело в вакууме.

Определить при помощи маятника абсолютную силу тяжести чрезвычайно трудно, ведь тут многое зависит от точного измерения его длины. Поэтому в наше время маятники предпочитают использовать для выяснения разницы между силой тяжести в двух точках. В этих двух точках один и тот же маятник будет иметь разный период колебаний, и такая разница будет зависеть от различий в силе тяжести. Надо было только выбрать на Земле место, где силу тяжести следовало принять за эталон. Поскольку впервые абсолютное значение силы тяжести на Земле было установлено в городе Потсдаме (ныне — в ГДР) в 1898–1904 годах, то именно Потсдам стал опорным пунктом для мировой гравиметрической системы.

Нынешние наземные гравиметрические измерения, по сути, относительны, они показывают прирост или падение силы тяжести в какой-то точке Земли сравнительно с исходным пунктом. (Надо оговориться: поскольку Земля вращается, то на каждое тело на ее поверхности действует, кроме силы земного притяжения, еще и центробежная сила; сила тяжести есть равнодействующая этих двух сил.)

В наших наручных часах место гири и маятника ходиков заняла пружина. В истории гравиметрии лет пятьдесят назад наступил момент, когда маятник в качестве универсального и единственного прибора для определения силы тяжести оказался потеснен гравиметром с пружиной. На конце пружины подвешен груз — вот суть прибора. Груз растягивает пружину, а уж на сколько именно — зависит от силы тяжести в данном месте. Пружина, конечно, нужна идеальная, длина ее и способность растягиваться должны как можно меньше зависеть от внешних условий, ведь измерять тут приходится миллионные доли длины пружины. Впрочем, само слово «пружина» носит здесь чрезвычайно обобщающий характер. В этом качестве используют и настоящие металлические и кварцевые пружины и упругие нити и даже сжатый газ.

Сейчас появились гравиметры, в которых используются магнитная подвеска, сверхпроводимость и другое оружие из современного арсенала физики.

Идея применения в приборе газа, как и сама идея гравиметра такого типа, принадлежит Ломоносову.

Подводит гравиметр только то, что как ни точно выверен этот прибор, а нагруженная пружина имеет свойство растягиваться.

Гравиметры, как и нынешние маятниковые приборы, измеряют относительную силу тяжести. Но при этом гравиметр в конце очередной серии измерений приходится возвращать в исходный пункт (создана целая сеть таких пунктов), по которому он выверен, и смотреть, не изменились ли показания прибора, а если изменились, то как.

Очень напоминают маятник по характеру колебаний и крутильные весы (их часто так и называют крутильным маятником), те самые, на которых взвесили и саму Землю. Роль первого весовщика, как мы знаем, сыграл Генри Кэвендиш.

Крутильные весы отличаются прямо-таки фантастической чувствительностью. Н. П. и А. Н. Грушинские отмечают: «Замечательным является тот факт, что Кэвендиш при низких технических возможностях 18 века получил результат, лишь на 1 % отличающийся от современного».

Крутильные весы Кэвендиша стали прародителем приборов, измеряющих уже не само гравитационное поле Земли в разных точках нашей планеты, а именно изменение поля при переходе от одной точки к другой. Называют такие приборы вариометрами. Первый вариометр создал венгерский физик Этвеш (тот самый, что первым с высокой точностью измерил на крутильных весах эквивалентность тяжелой и инертной масс).

Перед нами опять-таки коромысло с двумя грузами на концах, причем если на один груз действует не совсем та сила, что на другой, оно повернется вокруг оси подвеса. Насколько повернется — уже можно измерить. Хороший вариометр реагирует даже на наблюдателя, стоящего около него, то есть регистрирует неоднородность поля, возникшую от присутствия человека. Если снова вспомнить о слабости гравитации, о том, как невелика сила тяготения, создаваемая массой в шестьдесят — сто килограммов, остается только поразиться такому результату. А между тем речь ведь идет просто о «хорошем вариометре», а не о неком уникальном и сверхточном.

Этвеш же первым и применил вариометр для того, что можно назвать геологической разведкой. Впрочем, он не искал полезные ископаемые, а пытался исследовать геологические структуры.

Сегодня гравиметрическую разведку геологи используют вместе с другими физическими методами поиска. Уголь и нефть, железная, хромовая, медная руды выдают себя точным гравиметрам и вариометрам. Глубину льда в Антарктиде и Гренландии определяли гравиметрическим методом — ведь легкий лед лежит на гораздо более плотных материковых породах.

Н. П. и А. Н. Грушинские обращают особое внимание на то, что гравиметрия идет впереди других видов геологической разведки на море, как и на суше. Правда, уточнение результатов приходится часто проводить другими методами, но ведь нельзя же требовать, чтобы тот, кто идет впереди, сам же и расширял проложенную им тропу.

Наконец, в роли гравиметра выступают искусственные спутники Земли. На их траектории отражается распределение масс в теле Земли. До сих пор спутники давали в основном сведения широкого характера, с их помощью уточняли фигуру Земли, находили занимающие относительно большие территории аномалии силы тяжести. Той особой «конкретности», какую дают наземные гравиметры, спутники обеспечить не могли. На их движении сказывается слишком много привходящих обстоятельств. Но сейчас, когда уже летали первые спутники, защищенные от таких искажений, когда готовятся к запуску десятки новых свободных от сноса спутников, положение коренным образом меняется. Издали и в мелких деталях гравитационного поля Земли можно будет разобраться лучше, чем вблизи.

А что же маятник? Он еще послужит. И, строго говоря, искусственный спутник Земли — тоже ведь в определенном смысле маятник. Равномерное круговое движение спутника и колебания маятника описываются одними и теми же уравнениями. Логическое сближение маятника и спутника — отнюдь не просто сравнение, аналогия. Сходство здесь весьма глубокое: и космический гравиметр, и. маятниковый наземный гравиметр работают по одному принципу.

Все живое делят обычно на два грандиозных разряда, отделяя растения от животных. Но можно предложить еще один способ деления — по тому, чувствует ли живое существо свою массу. И тогда весь мир сразу окажется разорван на тех, кто растет и живет в воде, и тех, кому принадлежит суша. К промежуточной группе можно отнести, пожалуй, амфибий, тюленей, некоторых насекомых и морских черепах, водяных змей, крокодилов, выдр… Перечислять долго, но принцип выбора понятен. Пингвина, скажем, тоже стоит причислить к этой категории, потому что он добывает пищу под водой. А вот большинство птиц — создания с «постоянным весом». Это, говоря языком техники, аппараты тяжелее воздуха.