Охота за константой
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Закон тяготения… не точен. То же относится и к другим нашим законам — они не точны. Где-то на краю их всегда лежит тайна, всегда есть над чем поломать голову. (Р. Фейнман).
Неуемная погоня за точностью измерений — отнюдь не самоцель, рождаемая болезненным педантизмом экспериментаторов. Дело совсем в другом. Тщательность измерений довольно часто оказывается тем ключом, который открывает тайны мироздания. Резко повысив чувствительность и точность своего масс-спектрографа, английский ученый Астон сразу раскрыл секрет дробных весов химических элементов: оказалось, что многие из них имеют изотопы, то есть характеризуются несколькими атомными весами при полном тождестве химических свойств. Американский физик Майкельсон, развивая идею французского оптика Физо, изобрел необычайно чувствительный прибор — «звездный интерферометр», что тут же позволило ему совершить поистине сказочный научный подвиг — измерить диаметр звезд.
И в других, не менее важных случаях повышение точности измерений необходимо для все более жесткой проверки фундаментальных законов природы. Ведь существование в нашем мире объективных закономерностей отнюдь не означает, что понимание этих закономерностей абсолютно верно. Новые факты, накопленные с помощью все более изощренной и совершенной техники наблюдения, далеко не всегда «стыкуются» со сложившимися теоретическими представлениями, требуя их корректировки, а то и коренного пересмотра теории. При этом особую роль играет непрерывное уточнение величины фундаментальных физических констант — этих опорных столпов в физической картине мироздания.
Одна из немногих таких констант — постоянная тяготения. Именно она входит в закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном почти три века назад.
Одновременно с этим законом в науку вошла жгучая тайна — тайна тяготения. Электрическое или, скажем, магнитное поле можно просто выключить или как-то загородиться от него. Тяготение же вездесуще и неуничтожимо. Оно действует с равным успехом и через космический вакуум, и сквозь любую преграду. Тела непостижимым образом как бы узнают друг о друге на любом расстоянии и удивительно точно определяют свои взаимоотношения. Правда, слепо поклоняясь идолу тяготения, они не знают при этом, насколько далеки и насколько массивны их соседи. Все это более чем странно.
Поэтому во взаимное притяжение тел через пустоту без участия чего-то постороннего (или потустороннего) не верили не только гениальные современники Ньютона Декарт и Гюйгенс, но и сам Ньютон! «Это мне кажется столь большим абсурдом, что я не представляю себе, чтобы кто-либо, владеющий способностью здраво мыслить в философии, мог к этому прийти», писал великий ученый своему коллеге доктору Бентли. Однако основанный на этой «безумной» гипотезе закон блестяще подтверждался опытом.
В ХХ веке фундаментальный вклад в теорию гравитации внес Эйнштейн, пришедший к выводу, что с физической точки зрения тяготение и инерция — это одно и то же. Планеты обращаются вокруг Солнца не по причине его тяготения, а просто по инерции. Они описывают те же прямые линии, но не в идеализированном евклидовом пространстве, а в реальном (римановом) пространстве-времени, искривленном гигантской массой Солнца. Тяготение как особая сила исчезает в физической геометрии нашего мира, превращаясь в некий естественный фон любого движения под действием обычных сил.
Выходит, что постоянная тяготения выражает прямую связь между гравитационными и инерционными свойствами вещества. По некоторым теоретическим представлениям она постепенно уменьшается во времени в связи с наблюдаемым расширением Вселенной.
Согласно другой гипотезе, могут существовать не одна, а целых две гравитационных постоянных подобно тому, как электромагнитное поле характеризуется двумя константами. И еще: соотношение в ядре атома нейтронов и протонов меняется по мере возрастания атомного веса. Не отражается ли это на гравитационной постоянной? Правда, в этом случае и величина земного ускорения должна несколько отличаться для легких и тяжелых элементов.
Недаром с гравитацией связывают теперь самые сокровенные тайны мироздания. Прежде всего, она опровергает представление об изолированных физических системах, этих предвестниках тепловой смерти Вселенной, — все тела, где бы они ни находились, воздействуют друг на друга, стремясь ко взаимному сближению. При этом гравитация играет важную роль вселенского пастуха, препятствующего легкомысленным галактикам разбрестись во все стороны и сгинуть в бездне космических глубин. А охлажденный почти до абсолютного нуля призрачный газ космического пространства, постепенно сжимаясь под действием тяготения, нагревается в конце концов до миллионов градусов, образуя ослепительно сияющую звезду. Во всем этом отчетливо проглядывает некая организующая роль гравитации, противоборствующая закону возрастания энтропии. Согласно другим представлениям, именно гравитация задает направление «стреле времени» в окружающем мире.
Таким образом, значение и толкования закона всемирного тяготения в наше время необычайно расширились, охватив не только просторы Вселенной, но и недра звезд, где вещество может находиться в совершенно удивительном состоянии неимоверно высокой плотности. Следствием этого может быть гравитационное «красное смещение»— неожиданный эффект, предсказанный Эйнштейном и пропорциональный постоянной тяготения. Еще более парадоксально возможное образование в глубинах космоса «черных дыр», в результате чего сжатая уже до совершенно фантастических пределов материя обладает столь чудовищным притяжением, что полностью утрачивает видимую связь с внешним миром.
Наряду с этим сейчас резко возросло число чисто земных задач, для которых требуется более точное знание массы нашей планеты, а следовательно, той же постоянной. Решение таких задач позволило бы, в частности, серьезно прояснить наши представления об эволюции Земли, строении ее недр и размещении полезных ископаемых.
Тем не менее, достаточно заглянуть в справочник, чтобы убедиться: величина гравитационной постоянной, несмотря на грандиозные успехи экспериментальной физики, измерена на сегодня с весьма скромной точностью — всего до третьего знака. Между тем скорость света в вакууме определена с точностью до восьмого, а квантовая постоянная Планка — до седьмого знака. Контраст разительный, и на это есть веские причины.
Заметим, прежде всего, что безнадежно слабое для микромира гравитационное взаимодействие становится вполне доступным измерению уже для тел с массой порядка килограмм и расположенных в нескольких десятках сантиметров друг от друга. Правда, такие тела должны иметь почти идеальную (обычно шарообразную) форму, совершенно не содержать электростатических зарядов или магнитных включений и, наконец, быть строго однородными по плотности. При этом расстояние между центрами тяжести масс должно быть измерено с очень высокой точностью, что само по себе вовсе не просто! Дальнейшее увеличение масс и расстояния между ними лишь более усугубляет все эти чисто технические препятствия. Возникает порочный метрологический круг: полезный сигнал (притяжение между массами) усиливается, а точность измерения падает.
Вторая принципиальная трудность состоит в том, что всякое механическое измерительное устройство неизбежно включает в себя дополнительные массы, воздействие которых учесть исключительно сложно. И еще помеха — мощное поле тяготения нашей Земли. Считают, правда, что его влияние на измерение исключается, однако полной уверенности в этом, увы, нет.
Впервые теоретически вычислил постоянную тяготения Ньютон. Минуло еще сто лет, прежде чем английский ученый Кавендиш изобрел остроумный способ найти константу в непосредственно, путем прямого измерения притяжения тел. Для этого он применил самый чувствительный по тем временам механический прибор — крутильные весы. Они позволили с большой вероятностью исключить влияние на слабое взаимное притяжение малых тел гигантской силы тяготения Земли. Не будь подобной возможности, Кавендишу пришлось бы проводить свой эксперимент… где-то за орбитой Марса! Только на таком удалении от нашей планеты ее притяжение ослабло бы настолько, что позволило отчетливо выделить тягу малых масс друг к другу. Два тщательно взвешенных свинцовых шара уравновешивали в опыте Кавендиша коромысло весов, подвешенное на тонкой нити.
Воздействие на грузики двух столь же скрупулезно взвешенных масс вызывало поворот коромысла и закручивание нити. При этом сила притяжения, составлявшая всего 10 мг, была измерена с точностью 0,1 мг. Зная сопротивление нити закручиванию, ученый нашел, что G=6,60 • 10-8 см3/сек2г, ошибившись всего на один процент. Это, в свою очередь, дало ему возможность тут же определить и массу нашей планеты, в связи с чем опыт вошел в историю физики под громким, но вполне заслуженным названием «Взвешивание Земли». Больше того, Кавендиш «взвесил» не только Землю, но и все небесные тела Солнечной системы, включая и само Солнце! Это случилось в 1798 году.
Характерно, что за минувшие с тех пор два столетия метод английского ученого, несмотря на многочисленные и порою весьма изощренные попытки отказаться от него, остался если не единственным, то, по крайней мере, наиболее надежным способом измерения. По двум причинам. Первая состоит в том, что загадочное взаимное тяготение масс как бы обособлено от остальной физики в том смысле, что не может быть сведено к каким-либо другим типам взаимодействия, например электромагнитному. «До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество как два разных проявления одной и той же сущности,— пишет известный современный теоретик Р. Фейнман.— Физика еще не превратилась в единую конструкцию, где каждая часть — на своем месте». Поэтому измерения константы тяготения не удалось связать пока впрямую с какими-либо другими эффектами, которые можно было бы измерить более точно. Вторая — чрезвычайно высокая чувствительность крутильных весов.
Автор: А. Силин, доктор технических наук.