Полювання за константою

Закон тяжіння… не точний. Те ж відноситься і до інших наших законів – вони не точні. Десь на краю їх завжди лежить таємниця, завжди є над чим поламати голову. (Р. Фейнман).

Невгамовна гонитва за точністю вимірювань — аж ніяк не самоціль, що народжується хворобливим педантизмом експериментаторів. Справа зовсім в іншому. Ретельність вимірювань досить часто виявляється тим ключем, який відкриває таємниці світобудови. Різко підвищивши чутливість і точність свого мас-спектрографа, англійський вчений Астон відразу розкрив секрет дробових ваг хімічних елементів: виявилося, що багато з них мають ізотопи, тобто характеризуються декількома атомними вагами при повній тотожності хімічних властивостей. Американський фізик Майкельсон, розвиваючи ідею французького оптика Фізо, винайшов надзвичайно чутливий прилад — «Зоряний інтерферометр», що тут же дозволив йому зробити воістину казковий науковий подвиг – виміряти діаметр зірок.

І в інших, не менш важливих випадках підвищення точності вимірювань необхідно для все більш жорсткої перевірки фундаментальних законів природи. Адже існування в нашому світі об’єктивних закономірностей аж ніяк не означає, що розуміння цих закономірностей абсолютно вірно. Нові факти, накопичені за допомогою все більш витонченої і досконалої техніки спостереження, далеко не завжди «стикуються» зі сформованими теоретичними уявленнями, вимагаючи їх коригування, а то і корінного перегляду теорії. При цьому особливу роль відіграє безперервне уточнення величини фундаментальних фізичних констант – цих опорних стовпів у фізичній картині світобудови.

Одна з небагатьох таких констант – постійна тяжіння. Саме вона входить в закон всесвітнього тяжіння, відкритий Ньютоном майже три століття тому.

Одночасно з цим законом в науку увійшла пекуча таємниця – таємниця тяжіння. Електричне або, скажімо, магнітне поле можна просто вимкнути або якось загородитися від нього. Тяжіння ж всюдисуще і незнищенне. Воно діє з рівним успіхом і через космічний вакуум, і крізь будь-яку перешкоду. Тіла незбагненним чином як би дізнаються один про одного на будь-якій відстані і дивно точно визначають свої взаємини. Правда, сліпо поклоняючись ідолу тяжіння, вони не знають при цьому, наскільки далекі і наскільки масивні їхні сусіди. Все це більш ніж дивно.

Тому у взаємне тяжіння тіл через порожнечу без участі чогось стороннього (або потойбічного) не вірили не тільки геніальні сучасники Ньютона Декарт і Гюйгенс, а й сам Ньютон! «Це мені здається настільки великим абсурдом, що я не уявляю собі, щоб хто-небудь, що володіє здатністю тверезо мислити у філософії, міг до цього прийти», писав великий вчений своєму колезі доктору Бентлі. Однак заснований на цій «божевільній» гіпотезі закон блискуче підтверджувався дослідом.

У ХХ столітті фундаментальний внесок у теорію гравітації вніс Ейнштейн, який прийшов до висновку, що з фізичної точки зору тяжіння та інерція — це одне і те ж. Планети обертаються навколо Сонця не через його тяжіння, а просто за інерцією. Вони описують ті ж прямі лінії, але не в ідеалізованому евклідовому просторі, а в реальному (рімановому) просторі-часі, викривленому гігантською масою Сонця. Тяжіння як особлива сила зникає у фізичній геометрії нашого світу, перетворюючись в якийсь природний фон будь-якого руху під дією звичайних сил.

Виходить, що постійна тяжіння виражає прямий зв’язок між гравітаційними і інерційними властивостями речовини. За деякими теоретичними уявленнями вона поступово зменшується в часі у зв’язку зі спостережуваним розширенням Всесвіту.

Згідно з іншою гіпотезою, можуть існувати не одна, а цілих дві гравітаційних постійних подібно до того, як електромагнітне поле характеризується двома константами. І ще: співвідношення в ядрі атома нейтронів і протонів змінюється в міру зростання атомної ваги. Чи не відбивається це на гравітаційній постійній? Правда, в цьому випадку і величина земного прискорення повинна дещо відрізнятися для легких і важких елементів.

Недарма з гравітацією пов’язують тепер найпотаємніші таємниці світобудови. Перш за все, вона спростовує уявлення про ізольовані фізичні системи, ці провісники теплової смерті Всесвіту, — всі тіла, де б вони не знаходилися, впливають один на одного, прагнучи до взаємного зближення. При цьому гравітація відіграє важливу роль Вселенського пастуха, що перешкоджає легковажним галактикам розбрестися на всі боки і згинути в безодні космічних глибин. А охолоджений майже до абсолютного нуля примарний газ космічного простору, поступово стискаючись під дією тяжіння, нагрівається врешті-решт до мільйонів градусів, утворюючи сліпуче сяючу зірку. У всьому цьому чітко проглядає якась організуюча роль гравітації, протиборча закону зростання ентропії. Згідно з іншими уявленнями, саме гравітація задає напрямок «стрілі часу» в навколишньому світі.

Таким чином, значення і тлумачення закону всесвітнього тяжіння в наш час надзвичайно розширилися, охопивши не тільки простори Всесвіту, але і надра зірок, де речовина може перебувати в абсолютно дивовижному стані неймовірно високої щільності. Наслідком цього може бути гравітаційне «червоне зміщення» — несподіваний ефект, передбачений Ейнштейном і пропорційний постійній тяжіння. Ще більш парадоксально можливе утворення в глибинах космосу «чорних дір», в результаті чого стиснута вже до абсолютно фантастичних меж матерія володіє настільки жахливим тяжінням, що повністю втрачає видимий зв’язок із зовнішнім світом.

Поряд з цим зараз різко зросла кількість чисто земних завдань, для яких потрібно більш точне знання маси нашої планети, а отже, тієї ж постійної. Вирішення таких завдань дозволило б, зокрема, серйозно прояснити наші уявлення про еволюцію Землі, будову її надр і розміщення корисних копалин.

Проте, досить заглянути в довідник, щоб переконатися: величина гравітаційної постійної, незважаючи на грандіозні успіхи експериментальної фізики, виміряна на сьогодні з вельми скромною точністю — всього до третього знака. Тим часом швидкість світла у вакуумі визначена з точністю до восьмого, а квантова постійна Планка – до сьомого знака. Контраст разючий, і на це є вагомі причини.

Зауважимо, перш за все, що безнадійно слабка для мікросвіту гравітаційна взаємодія стає цілком доступною виміру вже для тіл з масою близько кілограма і розташованих в декількох десятках сантиметрів один від одного. Правда, такі тіла повинні мати майже ідеальну (зазвичай кулясту) форму, абсолютно не містити електростатичних зарядів або магнітних включень і, нарешті, бути строго однорідними по щільності. При цьому відстань між центрами ваги мас має бути виміряна з дуже високою точністю, що саме по собі зовсім не просто! Подальше збільшення мас і відстані між ними лише більш посилює всі ці чисто технічні перешкоди. Виникає порочне метрологічне коло: корисний сигнал (тяжіння між масами) посилюється, а точність вимірювання падає.

Друга принципова складність полягає в тому, що будь-який механічний вимірювальний пристрій неминуче включає в себе додаткові маси, вплив яких врахувати виключно складно. І ще перешкода – потужне поле тяжіння нашої Землі. Вважають, правда, що його вплив на вимір виключається, проте повної впевненості в цьому, на жаль, немає.

Вперше теоретично обчислив постійну тяжіння Ньютон. Минуло ще сто років, перш ніж англійський вчений Кавендіш винайшов дотепний спосіб знайти константу безпосередньо, шляхом прямого вимірювання тяжіння тіл. Для цього він застосував найчутливіший на ті часи механічний прилад – крутильні ваги. Вони дозволили з великою ймовірністю виключити вплив на слабке взаємне тяжіння малих тіл гігантської сили тяжіння Землі. Не будь подібної можливості, Кавендішу довелося б проводити свій експеримент… десь за орбітою Марса! Тільки на такому віддаленні від нашої планети її тяжіння ослабло б настільки, що дозволило чітко виділити тягу малих мас одна до одної. Дві ретельно зважених свинцевих кулі врівноважували в досліді Кавендіша коромисло ваг, підвішене на тонкій нитці.

Вплив на важелі двох настільки ж ретельно зважених мас викликав поворот коромисла і закручування нитки. При цьому сила тяжіння, що становила всього 10 мг, була виміряна з точністю 0,1 мг. Знаючи опір нитки закручування, вчений знайшов, що G=6,60 • 10-8 см3/сек2г, помилившись всього на один відсоток. Це, в свою чергу, дало йому можливість тут же визначити і масу нашої планети, в зв’язку з чим дослід увійшов в історію фізики під гучною, але цілком заслуженою назвою «зважування Землі». Більше того, Кавендіш «зважив» не тільки Землю, але і всі небесні тіла Сонячної системи, включаючи і саме Сонце! Це сталося в 1798 році.

Характерно, що за минулі з тих пір два століття метод англійського вченого, незважаючи на численні і часом досить витончені спроби відмовитися від нього, залишився якщо не єдиним, то, принаймні, найбільш надійним способом вимірювання. З двох причин. Перша полягає в тому, що загадкове взаємне тяжіння мас як би відокремлено від решти фізики в тому сенсі, що не може бути зведено до будь-яких інших типів взаємодії, наприклад електромагнітної. «Досі нікому не вдалося уявити тяжіння і електрику як два різних прояви однієї і тієї ж сутності,— пише відомий сучасний теоретик Р. Фейнман. – Фізика ще не перетворилася на єдину конструкцію, де кожна частина — на своєму місці». Тому вимірювання константи тяжіння не вдалося пов’язати поки прямо з будь-якими іншими ефектами, які можна було б виміряти більш точно. Друга – надзвичайно висока чутливість крутильних ваг.

Автор: А. Сілін, доктор технічних наук.