Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [88]
Рис. 6.1. Ньютон: от падения на поверхность Земли до движения по орбите
Одинаковое для всех ускорение должно показаться странным, если вспомнить, что у каждого тела своя масса, а масса есть мера инерции, т. е. выражает «неохоту к перемене движения». Движущийся автомобиль массой 5 тонн останавливается – меняет характер своего движения – «неохотнее», чем велосипед, едущий с той же скоростью. То же самое и с разгоном: грузовик с велосипедным приводом определенно уступит собственно велосипеду, потому что одно и то же усилие («сила», если выражаться точно) применяется к телам разной массы, т. е. с разной инерцией. Но не так со свободным падением. Гравитация в точности компенсирует различия в инертности: одна и та же Земля притягивает более массивные тела как раз во столько раз сильнее, во сколько раз они массивнее, а потому «ленивее». Трамвай массой 15,3674 тонны притягивается точно в 15 367,4 раза сильнее, чем гиря массой 1 кг. Налицо некоторый заговор материи и гравитации. Расследование показало, что основные фигуранты не совсем те, кем кажутся. Поиск настоящих виновников привел к результатам, которые в огромной степени превзошли ожидания, кардинально изменив наши представления о Вселенной.
Рис. 6.2. Стармэн
Невесомость. Основным свидетелем на первых порах была невесомость. Из-за «договоренности» между инерцией и гравитацией холодильник, забытый в свободно падающем лифте, не давит на пол, а пол не давит на холодильник. Все без исключения весы, независимо от своего устройства, сообщают об исчезновении веса при движении под действием одной только гравитации[100]. Стармэн (рис. 6.2) не давит ни на сиденье, ни на спинку сиденья, ни на ремни безопасности. При этом неважно, какие виражи он заложит: пролетит ли вблизи Марса, а если да (хотя, скорее всего, нет), то захватит ли его тяготение планеты, или же выбросит куда-нибудь подальше. Никакого прижимающего усилия на поворотах! Свободное падение – это движение под действием какой угодно гравитации; траектория движения при этом – уж какая получится, но невесомость обеспечена всегда. Летящий к Луне космический корабль падает к Луне все время после старта с околоземной орбиты, за исключением коротких коррекций («на три короткие секунды включения двигателя служебного модуля Майк Коллинз окажется за рулем вместо сэра Исаака Ньютона»). Траекторию этого падения определяет притяжение Земли, Луны и Солнца. Про «Луну-1» можно сказать, что она падала сначала на Луну, а потом на Солнце. Маневр гравитационной пращи для «Вояджеров» (см. рис. 2.10) – это тоже свободное падение ровно в той мере, в какой отсутствовали другие воздействия (реактивная тяга, сопротивление газа, давление света). Любое такое движение сопровождается невесомостью.
Масса выполняет две различные функции
Полное подчинение гравитации выключает ее
Невесомость – особый вид взаимной гармонии падающих свободно. И для каждого участника это способ устранить гравитацию лично для себя. Стоит только полностью подчинить движение гравитации, как она, гравитация, как будто бы выключается: ни одна чашка не разобьется, как если бы никакой гравитации не было вовсе. Этот фокус неизменно удается безо всяких специальных приготовлений (кроме устранения других, негравитационных сил) именно потому, что масса тела делает два дела сразу: выражает его нежелание изменять свое движение (инерцию) и одновременно степень его участия в гравитационном взаимодействии. Ньютон, наблюдая за маятниками, смог установить, что эти две разные вещи действительно выражаются одним и тем же числом, с точностью около 10>–3 (одной тысячной). В 1908 г. опыты Этвёша дали результат около 10>–8 (одной стомиллионной). Неплохо, но, имея за плечами опыт предыдущей прогулки, уместно спросить, не может ли быть так, что это верно только при малых скоростях и/или для достаточно слабой гравитации? Ускорение свободного падения вблизи Земли невелико; сохранит ли движение под действием гравитации волшебное свойство «выключать» эту гравитацию, когда и ускорения, и скорости возрастут? Мы видели на прогулке 5, сколь многое из того, что кажется истинным при малых скоростях, на самом деле работает совсем по-другому. А все, что связано с гравитацией, приобретает дополнительную остроту: мгновенная передача гравитационного воздействия на сколь угодно большие расстояния, тревожившая уже Ньютона в 1692 г. (см. главу «прогулка 1»), после 1905 г. вступила в открытое противоречие с пониманием, что никакой физический агент не может распространяться быстрее света. В законе гравитации Ньютона скорость ее распространения не предусмотрена, а значит, этот закон в любом случае следует как-то модифицировать. Но как же узнать, остается ли «правильное» тяготение в том же сговоре с движением, из-за которого свободное падение происходит всегда одинаково для всех? Каким принципам доверять? Увы, от эксперимента реальной помощи тут нет: наши возможности разгонять что-то массивное до больших скоростей и ставить опыты с по-настоящему сильной гравитацией сильно ограничены, если выражаться оптимистически. Сверхточные измерения, позволяющие «ухватывать» крохи эффектов, в полной мере разворачивающихся где-то во Вселенной, но у нас проявляющих себя совершенно пренебрежимым образом, – это уже главным образом XXI век
