Чтобы увериться во всеобщности силы притяжения между Солнцем и планетами и доказать, что такая сила действует между любыми двумя массами, надо показать, что таким же способом притягиваются два свинцовых слитка или любые два объекта и что сила их взаимодействия уменьшается, как квадрат расстояния между ними, и прямо пропорциональна произведению масс. Конечно, сила притяжения двух слитков свинца друг к другу чрезвычайно мала, так как их массы очень малы по сравнению с массами небесных тел. Если каждый слиток весит 45 кГ, то действующая между ними сила на расстоянии 30 см так же мала, как и сила притяжения к Земле массы в 0,004 г. Однако эта сила была измерена, и результаты подобных измерений подтвердили справедливость и универсальность закона тяготения.
Всеобщность закона тяготения
Открытый Ньютоном закон тяготения объяснил движение планет по орбитам. Он положил конец древней любимой мечте многих философов. Они мечтали найти чрезвычайно важный смысл в действительных размерах орбит и в длительности периодов обращения планет. Можно было ожидать, что радиусы планетных орбит находятся в простых соотношениях, например, что при переходе от одной планеты к другой радиус каждый раз удваивается или что между ними существует какая-либо иная числовая закономерность. Философы-пифагорейцы, например, придавали особое значение численным отношениям между параметрами небесных орбит и видели в них смысл своей системы. В этих отношениях заключалась «гармония сфер»; предполагалось, что она отражает присущую небесному миру симметрию, в противоположность земному миру, полному беспорядка и начисто лишенному симметрии. Предполагалось, что гармоническая смена небесных движений производит музыку, слышимую духовным ухом и служащую проявлением божественного порядка Вселенной. Даже Кеплер, чей анализ планетных движений привел к открытию закона тяготения, настойчиво пытался объяснить наблюдаемые размеры орбит и для этой цели предложил гипотезу о Вселенной, построенной по модели правильных твердых тел — сферы, куба, тетраэдра и т. д.; одно вписывалось в другое и задавало одну из орбит на основе какого-то глубокого, фундаментального, всеобъемлющего принципа (рис. 13).
Рис. 13. Устройство Кеплера. Модель Вселенной Кеплера, показывающая положение планет по отношению к различным геометрическим образам.
Ньютон показал всю несостоятельность этих представлений. Основным принципом, управляющим движением планет, служит закон тяготения. Он определяет орбиты планет лишь постольку, поскольку требует, чтобы они были окружностями или эллипсами с Солнцем в центре или в фокусе, и устанавливает специальное соотношение между радиусом (или большой осью эллипса) и периодом обращения. Однако этот принцип не предписывает какого-либо специального размера или радиуса орбиты. Действительно, истинный ее размер зависит от условий в начальный период, т. е. в период образования солнечной системы, и от последующих взаимных возмущений орбит. Если бы, например, Земля получила вначале иную скорость, то она вращалась бы по большей орбите. Мало того, если бы вблизи нашей солнечной системы прошла другая звезда, все планетные орбиты изменились бы, и после встречи соотношения между их размерами и периодами стали бы совсем иными.
Отсюда мы видим, что наблюдаемые в настоящее время размеры орбит не имеют большого значения. Они могли бы оказаться и совсем другими, но это не повлекло бы за собой нарушения законов физики. Фундаментальный закон тяготения определяет только общий характер явления. Он допускает непрерывное множество воплощения орбит. Параметры истинных орбит зависят от влияний, которые действовали раньше их установления и без всякого вмешательства извне. Размеры наблюдаемых сегодня орбит, быть может, обусловливаются какими-либо специальными причинами, например какими-либо особыми условиями, преобладавшими при образовании солнечной системы, или влиянием проходивших звезд, но в этих размерах нет никакого особого фундаментального значения. Мы полагаем, что планеты другой звезды движутся по совсем другим орбитам, даже если эта звезда близка к Солнцу по своему строению и размерам.
Благодаря своей всеобщности сила тяготения действует за пределами солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики. Звезды каждой галактики влияют друг на друга вследствие действия сил притяжения, и каждая галактика притягивает другие галактики. Поэтому движением звезд и галактик управляет их взаимное притяжение. Мы пока еще мало знаем об этих движениях, так как их очень трудно наблюдать, и пришлось бы решать очень трудную задачу математического анализа, чтобы найти, как должны двигаться 50 миллиардов звезд под влиянием сил взаимного притяжения. Однако существуют очень веские данные, указывающие на то, что тот же общий принцип управляет движением всех звезд. Звезды, по-видимому, обращаются вокруг общего центра своей галактики таким же образом, как и планеты вокруг Солнца.
Определяются ли движения галактик тоже силами тяготения? Здесь мы приходим к еще не решенной проблеме астрономии. Мы мало знаем об этом, нам известен лишь поразительный факт разбегания галактик — расширения Вселенной. Это движение, очевидно, не может обусловливаться тяготением; должно существовать какое-то другое, еще неизвестное объяснение[21].
Свет
Есть ли что-нибудь, обладающее такой же всеобщностью, как свет? Свет, приходящий от Солнца к Земле, — основа нашего существования. Он приносит тепло и снабжает нашу планету почти всей получаемой ею энергией. Он заставляет расти растения, а ведь мы применяем их как топливо, в виде угля или нефти, или как пищу животных и людей. Единственным источником энергии, не приходящей в виде солнечного света, служат «темные» силы радиоактивности и деление урана. И наконец, — чем тоже нельзя пренебречь — в ярком свете Солнца природа встает перед нами во всей своей красе.
Как сказал Галилей, свет — единственный посланец звезд; он должен рассказать нам почти все, что мы когда-либо узнаем о Вселенной. Кроме скудных сведений, получаемых нами при изучении космических лучей и метеоритов, и того, что нам предстоит еще узнать из космических путешествий, мы не имеем иных сообщений из внеземного мира, кроме сообщений, даваемых светом.
Что такое свет? Ответ на этот вопрос был дан в одном из самых интересных построений физики прошлого века. Световые сигналы идут в пустом пространстве по прямым линиям с определенной постоянной скоростью, равной 3·105 км/сек. За то время, которое требуется, чтобы согнуть палец (0,1 сек), свет успевает пройти расстояние, равное окружности Земли. Как мы говорили в гл. II, свету требуются минуты, чтобы в нашей солнечной системе пройти от планет до Солнца.
Что же происходит между источником и приемником при посылке светового сигнала из одной точки в другую? Сначала полагали, что источник испускает какие-то световые единицы, импульсы или частички, разного рода для разных цветов. Даже великий Ньютон считал, что свет состоит из частичек (хотя он старательно уклонялся от прямых утверждений). В XVII веке Христиан Гюйгенс (Голландия) предположил, что свет — это волновое движение, а Томас Юнг и Огюстен Френель в начале XIX века с несомненностью установили, что световой луч— это волна, распространяющаяся в пространстве.
Что же такое волна? Наиболее известный пример — это волны на воде, но ими не очень удобно пользоваться при рассмотрении световых волн, так как они распространяются по поверхности воды, а световые волны — в трехмерном пространстве. Однако изучение волн на воде помогает понять природу волн вообще.
Волна движется в каком-то носителе. Поверхность воды служит носителем волн на воде. В носителе происходят периодические колебательные изменения: например, поверхность воды движется вверх и вниз. Эти изменения таковы, что они распространяются и образуют характерную картину бегущих волн. Следует ясно понимать, что при распространении волны не происходит никакого перемещения материальной среды. Вместе с волной перемещаются только изменения картины на поверхности воды. Сама вода фактически не переносится. Однако волна может передавать действие от точки к точке. Если в одном месте сосуда сообщить толчок водной поверхности в известном направлении, то результирующая волна передаст этот толчок в другом его месте. Волны на воде могут передавать большие мощности, как мы это иногда видим по их действию на берег моря. Но масса воды не перемещается вместе с волной. Она только движется вверх и вниз, вперед и назад.
21
Разбегание туманностей согласуется с более общим, эйнштейновским законом тяготения, в свете которого оно не выглядит загадочным. Возможность существования расширяющейся Вселенной была теоретически обнаружена А. А. Фридманом из уравнений общей теории относительности. После того, как Хаббл открыл красное смещение удаленных галактик, Леметр применил решение Фридмана к объяснению этого факта. В. Вайскопф считает вещество равномерно распределенным и равномерно расширяющимся (см. гл. I). Именно из этого допущения и вытекает решение Фридмана. (