Как рождается гравитация

1.5. Яков Перельман и гравитация

Здравый смысл Homo sapiens —

сомнительный аргумент для Вселенной.

Выстроим логику рассуждений по гравитационному притяжению.

Если существует гравитация, иначе – сила притяжения, то должна существовать и энергия, которая преобразуется в данную силу. Если существуют, не важно, гравитоны или гравитационные волны, которые переносят гравитационную силу притяжения, то они должны переносить энергию, эквивалентную данной силе притяжения. Следуя логике, возникают два резонных вопроса: 1) откуда энергия берется? 2) как эта энергия преобразуется, расходуется или трансформируется?

По сути, энергия должна превращаться в другой вид энергии, тогда мы должны зафиксировать эти превращения датчиками и приборами. Но мы также знаем, еще со школьной скамьи, что всякая энергия, в конечном итоге, превращается в теплоту. Тогда где эта дополнительная теплота?

Экспериментаторы не обнаруживают ни самих гравитонов, ни дополнительной теплоты, переносимой гравитонами. Что, теплоты выделяется так мало? Но позвольте, тогда как и чем создать такую силу, чтобы удержать нашу Землю на солнечной орбите? Эта сила, согласно расчетам, равна: 3,54∙1022 Н. (3,6∙1018 т). Яков Перельман в свой книге не поленился и подсчитал ее для нас [11].

Посмотрите на эти цифры – это совсем не сила, это такая силища, что даже вообразить трудно. Так что или кто создает эту силу? Для физика ответ должен быть очевиден – энергия! Но какая энергия? Откуда она возникает и почему мы ее не видим 300 с лишним лет, со дня открытия закона всемирного тяготения?

Ответ на непростой вопрос, что такое гравитация и как она работает, находится в школьной задачке Перельмана. Вот цитата из его книги «Знаете ли Вы физику?».

Стальной канат от Земли до Солнца

«Вообразите, что могущественное притяжение Солнца почему-либо в самом деле исчезло и Земле предстоит печальная участь навсегда удалиться в холодные и мрачные пустыни вселенной. Вы можете представить себе – здесь необходима фантазия, – что инженеры решили, так сказать, заменить невидимые цепи притяжения материальными связями, т. е. попросту задумали соединить Землю с Солнцем крепкими стальными канатами, которые должны удерживать земной шар на круговом пути в его беге вокруг Солнца. Что может быть крепче стали, способной выдержать натяжение в 100 кг на каждый квадратный миллиметр? Представьте себе мощную стальную колонну, поперечником в 5 м. Площадь ее сечения заключает круглым счетом 20 000 000 кв. мм; следовательно, такая колонна разрывается лишь от груза в 2 000 000 тонн. Вообразите далее, что колонна эта простирается от Земли до самого Солнца, соединяя оба светила. Знаете ли вы, сколько таких могучих колонн потребовалось бы для удержания Земли на ее орбите? Миллион миллионов! Чтобы нагляднее представить себе этот лес стальных колонн, густо усеивающих все материки и океаны, прибавлю, что при равномерном распределении их по всей обращенной к Солнцу половине земного шара промежутки между соседними колоннами были бы лишь немногим шире самих колонн. Вообразите силу, необходимую для разрыва этого огромного леса стальных колонн, и вы получите представление о могуществе невидимой силы взаимного притяжения Земли и Солнца. И вся эта колоссальная сила проявляется лишь в том, что, искривляя путь движения Земли, каждую секунду заставляет Землю уклоняться от касательной на 3 мм; благодаря этому путь нашей планеты и превращается в замкнутый, эллиптический. Не странно ли: чтобы придвигать Землю каждую секунду на 3 мм, высоту этой строки, – нужна такая исполинская сила! Это только показывает, как огромна масса земного шара, если даже столь чудовищная сила может сообщить ей лишь весьма незначительное перемещение» [11].

Яков Перельман, конечно же, не дает прямой ответ на вопрос, что эта за сила, которая удерживает Землю стальными канатами с невообразимым их количеством – миллион миллионов, но он дает наглядное представление эквивалента силы.

Что создает такую силу и как происходит гравитационное взаимодействие? Вскоре узнаем, а пока перевернем страницу.

1.6. Гравитация – это свет

Кто ходит днем, тот не спотыкается,

потому что видит свет мира сего;

а кто ходит ночью, спотыкается,

потому что нет света с ним.

Поскольку гравитационные волны обнаружить не удается, несмотря на теоретические и всевозможные технические ухищрения науки, а вездесущая гравитация преследует нас поистине на каждом шагу, то налицо явное несоответствие, противоречие или просто непонимание процесса гравитационного взаимодействия. В связи с этим возникает несколько вопросов.

1. Гравитация – это неуловимый призрак, тогда она должна проявлять себя как призрак – то появляться, то исчезать, но нет, она присутствует ежечасно, ежесекундно – постоянно!

2. Гравитация имеет свои, специфические законы, неведомые физикам, но реакции гравитационных проявлений вполне уловимы и давно исследованы, к тому же закон всемирного тяготения открыт почти три с половиной столетия назад.

3. Гравитация и отвечающие за ее существование гравитоны рождены более тонкой материей, но тогда они должны иметь свои специфические параметры и быть совершенно не похожими на фотоны.

4. Гравитация находится под управлением уже открытых физических законов, но наука не понимает, как их распространить на работу механизма тяготения.

Четыре вопроса на одну и ту же тему, какому отдадим предпочтение?

Первый решительно отбрасываем по причине того, что гравитационная сила присутствует постоянно, и эту силу впервые измерил Г. Кавендиш в далеком 1798 г. Второй и третий тоже отбрасываем по причине противоречивости. В XXI в. говорить о том, что гравитация действует по своим законам, неведомым науке, не совсем корректно, поэтому оставим только вопрос под номером четыре, т. е. действие гравитации осуществляется по известным законам физики, остается только понять это действие.

Многие физики уже на рубеже XIX—XX столетий склонялись к тому, что все законы природы открыты, и в XX столетии им не придется ломать головы и открывать что-то новое. Оставалось почивать на лаврах науки и только изредка вносить незначительные поправки в физические константы, в свете более точных измерений. Увы! Почивать на лаврах не приходится, в то же время, я полагаю, что законы, отвечающие за гравитацию, давно открыты.

Итак, с чего начнем? Такая риторика всегда приводит к танцам от печки. Что тут скажешь, живем на севере.

А печкой, теперь уже для всех людей Земли и всего живого на ней, в прямом и переносном смысле является Солнце, одним словом – звезда! Планеты удерживаются на своих орбитах с помощью огромной силы, и эта сила трансформируется из энергии Солнца. Мы говорим, что Солнце – неиссякаемый источник энергии. В этом потоке солнечной энергии должен находиться главный источник гравитационного излучения. Посмотрим на наше светило под этим углом зрения, но сначала уточним, какую энергию оно генерирует.

Солнце испускает заряженные частицы, радиоволны, свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Рентгеновское и гамма-излучение – это небольшой процент от общего количества энергии, и оно до поверхности Земли практически не доходит, так как поглощается атмосферой Земли. Основная энергия в систему «атмосфера – Земля» поступает в виде спектрального волнового излучения в диапазоне от 0,1 до 4 мкм. При этом в диапазоне 0,3 мкм до 2 мкм атмосфера Земли почти прозрачна для данного излучения. В данный диапазон укладывается инфракрасное излучение, свет и часть ультрафиолетового излучения. Можно утверждать, что основным источником энергии Солнца является свет, световые фотоны, которые трансформируются в теплоту.

Доказано и подсчитано, что планеты удерживаются на своих орбитах с помощью огромной силы, ее почему-то называют еще самой слабой, о ее «слабости», а точнее о ее силе было сказано в предыдущем разделе, где Перельман указал на ее силу.

Эта сила трансформируется из энергии Солнца.

Исходя из того, какую энергию поставляет нам Солнце, запишем несколько постулатов:

Постулат №1: Теплота – генератор гравитационной энергии.

Постулат №2: Переносчиком гравитации являются фотоны (электромагнитные волны (ЭМВ)).

Постулат №3: Все ЭМВ переносят гравитацию. Электромагнитные волны – гравитационные волны!

Для простоты формулировки запишем: гравитация – это свет!

Постулаты писать – не скрижали тесать! Постулаты писать легко, отметит про себя читатель. Попытаюсь возразить – не легко, даже совсем не легко. Прежде чем написать постулат, нужно к этому подойти, приблизиться на такое расстояние, которое позволяет рассмотреть это явление невооруженным глазом с использованием серого вещества, а для доказательства можно применить и инструментарий.

Далее с помощью логики и расчетов пойдут пояснения, как я приблизился и рассмотрел в фотоне и электромагнитных волнах ту самую гравитацию. Логика моих рассуждений проста и, надеюсь, будет понятна. Не торопитесь закрывать книгу, а, как говорит наш президент: «Послушайте», точнее – почитайте.

1.7. Законы обратных квадратов

Рис. 1.2. Закон обратных квадратов. Интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника (S).

Начнем с обобщающих законов природы и их родителей. Естественно, первым в этом ненумерованном списке – закон всемирного тяготения Ньютона, его математическая формула (1.1). Для того чтобы подобраться к истине, для начальных рассуждений нам потребуется часть этой формулы, а именно ее знаменатель – r2. Когда начинаются обобщения, то не зря говорят, что нужно все привести «к общему знаменателю». Сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между гравитирующими телами.

Проанализируем аналогичные законы, известные физике, в знаменателе которых стоит квадрат расстояния. Будем уповать на то, что в начале XXI в. ключевые законы физики действительно открыты и известны. Поэтому нужно внимательно посмотреть на все это законное хозяйство под определенным углом зрения, а именно – под прицелом гравитации.

В свое время еще И. Кантом было замечено, что законы обратных квадратов для гравитационной и электростатической сил связаны с 3-мерностью пространства.

Закон обратных квадратов – закон, согласно которому некая физическая величина в определенной точке обратно пропорциональна квадрату расстояния до этой точки. Суть таких законов в том, что данная физическая величина распространяется из центра равномерно во все стороны пространства.

Обратно квадратичной зависимости подчиняются следующие физические законы:

• Звуковые волны от точечного (шарового) источника звуков

• Напряженность электрического поля Е на расстоянии r от точечного заряда Q в вакууме (закон Кулона)

• Напряженность магнитного поля (закон Био—Савара—Лапласа)

• Освещенность Еп плоской поверхности, создаваемая точечным источником света

• Напряженность гравитационного поля (закон Ньютона)

Вот основной набор уравнений волнового излучения, подчиняющихся закону обратных квадратов.

Правда, есть еще один закон обратных квадратов, некий закон Лотки, который гласит: число научных работников N, написавших n статей, пропорционально 1/n2. Интересный закон, но его точность сомнительна, поскольку в его основу положены статистические данные. Возможно, в тех статьях речь идет и о гравитации, но гравитацию они не раскрывают, иначе это было бы известно, поэтому сразу оставим его за рамками обсуждения.

Проведем анализ указанных законов и попробуем их отождествить с гравитационным взаимодействием.

Звуковые волны хороши, но они явно не подходят, так как звук распространяется только в атмосфере (среде), а она, как известно, имеется далеко не у всех небесных тел, не говоря уже о межзвездном пространстве.

Законы Кулона и Био—Савара—Лапласа тоже хороши, но также не подходят под тождество с гравитационным взаимодействием. Электрические и магнитные силы во много раз превосходят гравитационные. Радиус действия этих сил также не сопоставим – электромагнитные силы действуют на более коротких расстояниях. Оставим пока в покое и эти законы.

Остается что? Остается – свет! Чтобы не забыть, так и запишем: гравитация – это свет!

На квантовом уровне свет у нас представляет фотон, а гравитацию – гипотетический гравитон.

Приравняем кванты фотона γ и гравитона g.

На такое скоропалительное заключение кто-то интеллигентно скажет: «Некорректное отождествление», а кто-то резко: «Чушь!» Но не будем так категоричны и продолжим построение логической цепочки.

Свет, безусловно, хорош, и о нем мы знаем практически все. Опыты со светом проводились еще в древности. Оптическое излучение (свет) представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,01 нм до 0,1 мм. Свет подчиняется законам оптики, а оптика, по накопленным наблюдениям и опыту, еще более древняя наука, чем механика.

Давайте посмотрим на это физическое явление оптическим глазом еще раз и более внимательно. Что может роднить свет с гравитацией?

1. 1/r2 – общий знаменатель? И это все? Хотя, просматривая глубже, находим еще несколько соответствий.

2. Скорости распространения электромагнитной световой волны и гравитационной волны равны: с=2.998·108 м/с (скорость света в вакууме).

3. Свет и гравитация распространяются волнообразно. А, как известно, волны являются переносчиками энергии. Без энергии нет движения, без движения нет энергии.

4. Гравитоны идентичны фотонам, их массы связаны только с движением – масса покоя как таковая у данных частиц отсутствует.

5. Фотон – квант электромагнитного поля, гравитон – гипотетический квант гравитационного поля. Квант – это некая минимальная частичка энергии.

6. Фотоны и гравитоны не избирательны к воспринимающим их объектам. Они не поляризованы и не заряжены, им безразлично внутреннее состояние вещества, тела или предмета, они равнозначно взаимодействуют со всеми.

Шесть соответствий – это уже не то что серьезно, а вполне достаточно, чтобы отождествить фотоны с гравитонами. Или недостаточно?

Вот этим и займемся в ближайшем постраничном пространстве. А для этого заглянем еще глубже, а точнее дальше, где мы должны увидеть свет не только в конце тоннеля, но и в далеком Космосе. Гравитация, похоже, действует таким же образом, разница только в одном: свет мы видим всегда, а гравитацию – никогда!

Вот написал последнюю фразу и усомнился в ее правильности. Сами фотоны, как переносчики света, мы тоже не видим. Как можно увидеть фотоны, проскакивающие мимо нас со скоростью чего? – того самого света! Мы видим реакцию этого света с окружающими нас предметами, поэтому нас ни на секунду не покидает ощущение его присутствия. Свет либо отражается от них, тогда мы видим блестящую или зеркальную поверхность, либо поглощается ими, тогда видим оттенки серого. По сути, мы не видим отдельные фотоны, а только их интегральное действие на сетчатку глаза. Чтобы увидеть свет, необходимо действие 200 фотонов в секунду [12, с. 46]. Итак, седьмое соответствие.

7. Одиночные фотоны света и гравитоны не видимы зрением!

Что касается источников света, например, скептики сразу мне возразят: «Ты что, слепой, и Солнце не видишь?» На что я спокойно отвечу: «Я вижу Солнце, оно испускает световые волны, я также отчетливо вижу, что оно испускает и гравитационные волны, а вы что, их не видите? Тогда вы невесомы!»

Так кто из нас прав?

Гравитационную энергию переносят все волны, а мы видим только в узком промежутке 780—380 нм (3∙1014 – 4∙1014 Гц) из всей шкалы широкого диапазона электромагнитных волн.

Получается, свет загораживает нам гравитационную картину.

Пока не поздно, можно отмахнуться от гравитации известным выражением: «То, что не вижу, для меня не существует!», но не будем спешить, не для того затеян разбор гравитационных полетов.

Здесь следует напомнить, что солнечный свет или свет от обычной лампы накаливания содержит полный спектр длин волн, который распадается на составляющие при прохождении его через стеклянную призму. «Каждый охотник желает знать…» – получается радуга, которую в искусственных условиях исследовал И. Ньютон и многие другие физики.

Электромагнитные волны представляют собой периодические колебания электрических и магнитных полей, распространяющиеся в среде или вакууме. Для распространения таких волн не требуется наличия какой-либо среды.

1.8. Электромагнитные волны

Продолжим об электромагнитных волнах (ЭМВ), начало было положено в разделе 1.6. «Гравитация – это свет».

Согласно принципу Гюйгенса—Френеля каждый элемент волновой поверхности служит источником вторичной сферической волны. Это явление в известном анекдоте пытался поставить под сомнение один из представителей славного северного народа. Вот сидит он на берегу Берингова залива и кидает в воду кирпичи. Окружающие его спрашивают: «Ты зачем кирпичи изводишь?» Он в ответ: «Да хочу понять, почему кирпичи „квадратные“, а волны от них круглые!»

В данном случае экспериментатор получал двумерные волны, но они оказались тоже круглыми. Сферические волны похожи на них, только распространяются они по всем направлениям в пространстве.

Если от источника распространяются сферические волны, то интенсивность энергии обратно пропорциональна квадрату расстояния от данного источника.

В общем виде: электромагнитные волны представляют собой периодические колебания электрических и магнитных полей, распространяющиеся без потерь в среде или вакууме.

В 1862 г. Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ М. Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. Согласно его расчетам, ЭМВ должны распространяться со скоростью, равной ранее установленной скорости распространения света. Из этого факта следует, что свет представляет собой лишь один из видов ЭМВ.

Гипотеза Максвелла о существовании электромагнитных волн через 25 лет нашла экспериментальное подтверждение в работах Генриха Герца. В различных источниках приводится фраза изобретателя: «Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». «И что же дальше?» – спросил Герца один из его студентов. На что Герц пожал плечами и ответил: «Я предполагаю – ничего».

Вслед за Герцем экспериментаторами были получены электромагнитные волны, нашедшие применение в технике. Изобретатели радиопередатчиков и приемников Н. Тесла, Н. Попов и Г. Маркони смогли доказать полезность ЭМВ. А за ними и В. Рентген, вот этого человека все знают, так как каждый из нас имеет фотографию, сделанную в рентгеновских лучах, Х-лучах, как их называл сам изобретатель.

Герц в своих экспериментах впервые получил ЭМВ с длиной волны 10—100 м. Его опыты показали, что полученные волны сходны со световыми волнами, отличаясь от них лишь большей длиной. В дальнейшем усилиями разных ученых были получены ЭМВ с более высокими и низкими частотами. В данное время, как утверждают некоторые ученые-оптимисты, нет никаких физических пределов, ограничивающих частоту электромагнитных волн, нужен лишь подходящий источник колебаний.

Я бы не согласился с таким оптимистичным высказыванием – есть предельная величина генерации электромагнитной волны, так как существует предел размеров и энергии источника генерации. Предел есть, его расчет будет представлен позднее на страницах данной книги (в гл. 3).

В мире, как оказывается, все конечно, соответственно, и есть где-то начало. Куда будем двигаться – в историю или в будущее? Куда быстрее и легче дойти? Пойдем, как молния, тем курсом, где наименьшее сопротивление. А где оно меньше? Казалось бы, прошлое за нашими плечами, мы его давно прошли, но истины возникновения жизни так и не знаем, как и ее будущий конец. И там, позади, неизвестность и впереди тьма, но ясно одно: сопротивление меньше там, где больше накоплено знаний. Будем пробиваться к знанию!

Закончим с философией и пойдем вперед – в будущее, впереди очень интересное исследование.

Электрические методы пригодны для получения ЭМВ с частотами вплоть до 1012 Гц (λ= 0,3 мм). В указанный диапазон излучения попадают источники радиоволн и ультракоротких волн. На данных частотах работает радиовещание, телевидение, радиолокация и другие виды связи.

Для получения ЭМВ с частотами выше ультракоротковолнового диапазона электрические методы возбуждения вибратора уже не пригодны, и здесь применяются источники излучения на атомном уровне.