Не имея понятия о гравитации, нельзя считать себя знающим что-либо о материальном мире вообще и о Вселенной в частности. Хотя в этом вопросе много неизведанного. Кратко изложим то, что существует в гипотезах. Всемирное тяготение – не только самая загадочная из сил природы, но и самая могучая. Именно гравитационные поля управляют движением космических объектов по закону всемирного тяготения. Это походит на то, что весь мир погружен и плавает как бы в океане гравитационного «бульона» со своими закономерностями течения. Впереди у человечества – освоение экологически чистого гравитационного вида энергии. Она еще более расчетливо упакована природой, чем даже энергия водородно-гелиевого синтеза. Сегодня это – самый концентрированный вид энергии, о котором может догадываться человек [11, 36]. Сила всемирного тяготения, убежден академик В.А. Амбарцумян: «Стоит повивальной бабкой при рождении галактик из «дозвездного вещества». Она же «работает» и могильщиком для звезд, «отгоревших» свой срок, истративших отпущенное им при «рождении» звездное горючее. Многие физики объясняют вмешательством всемирного тяготения существование нейтронных звезд и квазаров. Оглянитесь вокруг и вы убедитесь, что на Земле все в значительной мере управляется этой силой. Это она определяет слоистое строение нашей планеты – чередование литосферы, гидросферы и атмосферы. Не будь тяготения, Земля тут же сорвалась бы со своей орбиты вокруг Солнца, а сам шар земной развалился бы на части, разорванный центробежными силами. Трудно найти что-нибудь, что не было бы в той или иной степени зависимо от сил всемирного тяготения. Благодаря силе тяготения для Земли скорость тела около 8 км/с называется круговой скоростью, а скорости от 8 до 11,2 км/с – эллиптическими, от 11,2 до 16,7 км/с – параболическими, свыше этого числа – освобождающими скоростями. У Юпитера круговая скорость равна 42,2 км/с, а параболическая – 61,8 км/с. Наиболее трудно было бы покидать свой мир жителям Солнца (если бы, конечно, таковые могли существовать). Круговая скорость этого гиганта должна составлять 437,6, а отрывная – 618,8 км/с. Гениальный мозг Ньютона бился над разгадкой этой великой тайны и не находил ее. Именно на опыте, на широком испытании природы – от скромных масштабов небольшой лаборатории ученого до грандиозных космических масштабов – установлен закон всемирного тяготения, который гласит: Сила взаимного притяжения любых двух тел, размеры которых гораздо меньше расстояния между ними, пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими телами. Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной. Если измерять длину в сантиметрах, время – в секундах, а массу – в граммах, то гравитационная постоянная будет равна 6,67(10-8 см3/(г(с2) [29, 36]. До сегодняшнего дня всемирное тяготение остается в нашем представлении основной пружиной движения космических тел. Сила взаимного притяжения двух людей среднего веса при расстоянии между ними в один метр не превышает трех сотых миллиграмма. Тот факт, что гравитационные силы гораздо слабее электрических, вызывает своеобразное разделение сфер влияния этих сил. Например, подсчитав, что в атомах гравитационное притяжение электронов к ядру слабее, чем электрическое в 1039 раз, легко понять, что процессы внутри атома определяются практически одними лишь электрическими силами (если не касаться пока внутриядерных процессов) [16]. Гравитационные силы становятся ощутимыми, а порой и грандиозными, когда на сцену выступают такие огромные массы, как массы космических тел: планет, звезд и т. д. Так, Земля и Луна притягиваются с силой примерно в 2(1016 т. Даже такие далекие от нас звезды, свет которых идет до Земли годы, шлют нам свой гравитационный привет, выражающийся внушительной цифрой – это сотни миллионов тонн. Гравитационные силы вездесущи и всепроникающи. Как говорят физики, радиус их действия равен бесконечности. Гравитационные силы – это дальнодействующие силы. Вследствие дальнодействия гравитация связывает все тела Вселенной. Может показаться странным, почему гравитационные силы, столь пренебрежимо малые при взаимодействии окружающих нас предметов, в космических масштабах приобретают столь решающую роль. Очень наглядно разъясняет это Я.Н. Перельман [16]. Массы небесных тел, безусловно, огромны. Но ведь и расстояния между небесными телами колоссальны. Однако сила тяготения, как известно, пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Масса же тела пропорциональна его объему и, следовательно, кубу линейных размеров. Поэтому, если размеры тел и их удаление увеличатся в n раз, то сила тяготения увеличится в раз! Это значит, что при увеличении всех размеров Вселенной, скажем в 2 раза, силы тяготения в ней вырастут в 16 раз! Вот почему притяжение космических масс на больших расстояниях несравненно значительнее притяжения малых масс, находящихся друг возле друга. Расскажем об удивительном явлении, имеющем космический характер, – о гравитационном коллапсе (катастрофическом сжатии) [11]. Явление это происходит в гигантских скоплениях материи, где силы тяготения достигают столь огромных величин, что никакие другие существующие в природе силы не могут оказать им сопротивления. Вспомните известную формулу Ньютона: силы тяготения тем больше, чем меньше квадрат расстояния между притягивающимися телами. Таким образом, чем плотнее становится материальное образование, чем меньше его размер, тем стремительнее возрастают силы тяготения, тем неотвратимее их губящее объятие. Есть оригинальный прием, с помощью которого природа борется, казалось бы, с беспредельным сжатием материи. Для этого она останавливает в сфере действия сверхгигантских сил тяготения ход времени и скованные массы как бы выключаются из нашей Вселенной, застывают в странном летаргическом сне. Сегодня наличие во Вселенной «черных дыр» является не только теоретическим предположением, но и получившим практическое подтверждение фактом результата наблюдения ученых, о чем сообщили 19–20 февраля 2004 года по всем основным каналам телевидения России. Ученые США и Западной Европы в результате десятилетнего наблюдения с помощью орбитального телескопа за «черной дырой», находящейся в центре далекой галактики на расстоянии от нас в 700 млн световых лет, получили снимок траектории и внешнего вида процесса захвата звезды «черной дырой». Звезда, попавшая в ее мощное гравитационное поле, по резко снижающейся траектории описала пол-оборота вокруг «насильницы», распалась на части и исчезла в гравитационной «пасти космического монстра». Конечно же, это происходило столько лет тому назад, необходимых для донесения до нас сообщения о катастрофе, происшедшей в далекой глубине Вселенной. Ученые полагают, что существует большая вероятность наличия подобных «черных дыр» в центре крупных галактик, не исключая галактики Млечный Путь. Нашему Солнцу такой печальный конец не предвидится многие миллиарды лет из-за удаленности его от центра нашей Галактики. 10 февраля 2005 года в 1800 по московскому времени, по первому каналу Российского телевидения, в новостях «Время» был показан космический снимок и сделано сообщение об удивительном явлении, произошедшем в далекой глубине Вселенной. Оно было видно в области раздвоения Млечного Пути. Звезда, попавшая в мощное гравитационное поле «черной дыры», под воздействием силы тяготения набрала сверхсветовую скорость и покинула пределы Галактики. Ученые не могут предсказать дальнейшую судьбу этой звезды. Кто знает, может быть, она, попутешествовав по просторам Вселенной сотни миллионов лет, по сильно вытянутой орбите, вернется к своей новой хозяйке – «черной дыре», если где-то не постигнет ее катастрофа… Утверждают, что «черная дыра» находится в состоянии летаргического сна, т. е. в ней нет никакого движения и время там тоже остановилось. Это означает, что «черная дыра» отключилась от Вселенной и стала самостоятельным объектом. Видимо, все это не так. Прежде всего, она находится во Вселенной и подчиняется закону всемирного тяготения, даже активно участвует в формировании порядка движения космических тел. Мощное гравитационное поле вокруг «черный дыры» – это результат ее деятельности в составе Вселенной. Наблюдениями обнаружены случаи поглощения «черной дырой» звезд или резкого изменения траектории их движения. Собственно летаргия – бездействие, мнимая смерть – похожее на сон состояние неподвижности, с резким угнетением всех признаков нам привычной активной жизни, которые при тщательном обследовании могут быть выявлены [5]. Понятно, что в «черной дыре» нам привычные формы движения молекул, атомов и электронов смещены, до поры до времени, в более тонкую форму движения энергетического излучения – гравитонов, фотонов и т. п. В то же время наука предполагает, что при отсутствии движения молекул, атомов и электронов «черная дыра» работает как идеальный холодильник при Т = 0 К. Это значит КПД цикла с «черной дырой» в качестве холодильника, по Карно, будет равен единице. Короче, термодинамика, примененная к «черным дырам», привела к очень глубоким новым проблемам [45]. Советский ученый профессор К.П. Станюкович путем чисто теоретических построений показал, что частицы «застывшей материи» могут быть весьма разнообразны по величине. Возможны ее гигантские образования, подобные квазарам, непрерывно излучающим столько же энергии, сколько ее излучают все звезды нашей Галактики. Возможны значительно более скромные сгустки, равные всего нескольким солнечным массам. И те, и другие объекты могут возникать сами из обыкновенной, не «спящей» материи. И возможны образования совсем другого класса, соизмеримые по массе с элементарными частицами. Чтобы они возникли, надо составляющую их материю сначала подвергнуть гигантскому давлению и вогнать ее в пределы сферы Шварцшильда – сферы, где время для внешнего наблюдателя останавливается совершенно. И если после этого давление даже будет снято, частицы, для которых время остановилось, останутся существовать независимо от нашей Вселенной. Автор этой гипотезы назвал такие частицы в честь известного немецкого физика Макса Планка – планкеонами [11]. Планкеоны – совершенно особый класс частиц. Они обладают, по мнению К.П. Станюковича, крайне интересным свойством: несут в себе материю в неизменном виде такой, какой она была миллионы и миллиарды лет назад. Заглянув внутрь планкеона, мы смогли бы увидеть материю такой, какой она была в момент рождения нашей Вселенной. По теоретическим расчетам во Вселенной имеется около 1080 планкеонов, примерно один планкеон в кубике пространства со стороной 10 сантиметров. Кстати, одновременно с К.П. Станюковичем и независимо от него гипотеза о планкеонах была выдвинута академиком А.М. Макаровым. Только А.М. Макаров дал им другое название – максимоны. Особыми свойствами планкеонов можно попытаться объяснить и парадоксальные подчас превращения элементарных частиц. Известно, что при столкновении двух частиц никогда не образуется осколков, а возникают другие элементарные частицы. Это поистине удивительно! Предположим, что в недрах каждой элементарной частицы скрыт планкеон, один или несколько, а иногда и много планкеонов. В момент столкновения частиц туго завязанный «мешок» планкеона приоткрывается, какие-то частицы могут «провалиться» в него, а взамен «выскочат» те, которые мы считаем возникшими при столкновении. При этом планкеон, как рачительный бухгалтер, обеспечит все «законы сохранения», принятые в мире элементарных частиц. Ну а при чем здесь механизм всемирного тяготения? Ответственными за тяготение, по гипотезе К.П. Станюковича, являются крохотные частицы, так называемые гравитоны, непрерывно излучаемые элементарными частицами. Гравитоны настолько же меньше последних, насколько пылинка меньше земного шара. Излучение гравитонов, считают авторы этих гипотез, подчиняется ряду закономерностей. В частности, они легче вылетают в ту область пространства, которая содержит меньше гравитонов. Значит, считают они, если в пространстве находятся два небесных тела, оба будут излучать гравитоны преимущественно «наружу», в направлениях, противоположных относительно друг друга. Тем самым создается импульс, заставляющий тела сближаться, притягиваться друг к другу [11]. Покидая свои элементарные частицы, гравитоны уносят с собой часть массы. Как ни малы они, убыль массы не может быть незаметной со временем. Но время это невообразимо огромно. Около 100 млрд лет понадобится для того, чтобы все вещество Вселенной превратилось в гравитационное поле. Но все ли? По мнению К.П. Станюковича, в настоящее время около 95 % массы материи скрыто в различной величины планкеонах, находится, как мы уже говорили, в состоянии летаргического сна, однако со временем планкеоны раскрываются и количество «нормальной» материи увеличивается.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Самая могучая сила природы – гравитация» з дисципліни «Екологія Всесвіту»
