Таинственная гравитация

Первым шагом в изучении свойств тяготения можно считать открытие Иоганном Кеплером законов движе­ния планет вокруг Солнца.

Кеплер был первым человеком, которому удалось об­наружить, что движение планет вокруг Солнца проис­ходит по эллипсам, т. с. вытянутым окружностям. Он выяснил также закон изменения скорости движения пла­неты в зависимости от ее положения па орбите и открыл зависимость, связывающую периоды обращения планет с их расстояниями от Солнца.

Однако законы Кеплера, позволяя рассчитывать бу­дущие и прошлые положения планет, еще ничего не говорили о природе тех сил, которые связывают планеты и Солнце в стройную систему и не дают им рассеяться в пространстве. Таким образом, законы Кеплера давали, если можно так выразиться, лишь кинематографическую картину солнечной системы.

Однако вопрос о том, почему планеты движутся, и какая сила управляет этим движением, возник уже то­гда. Но получить ответ на него удалось далеко не сразу. В те времена ученые ошибочно полагали, что всякое движение, даже равномерное и прямолинейное, может происходить только под действием силы. Поэтому Кеп­лер искал в солнечной системе силу, «подталкивающую» планеты и не дающую им остановиться. Решение при­шло несколько позже, когда Галилео Галилей открыл закон инерции, согласно которому скорость тела, на ко­торое не действуют никакие силы, остается неизменной или, выражаясь более точным языком: в тех случаях, когда действующие на тело силы равны нулю, ускоре­нно этого тела также равно нулю. С открытием закона инерции стало очевидно, что в солнечной системе надо искать не силу, «подталкивающую» планеты, а силу, пре­вращающую их прямолинейное движение «по инерции» в криволинейное.

Закон действия этой силы, силы тяготения, был от­крыт великим английским физиком Исааком Ньютоном в результате изучения движения Луны вокруг Земли. Ньютону удалось установить, что все тела притягивают друг друга с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Этот закон оказался поистине универсальным законом природы, действующим как в условиях Земли и нашей солнечной системы, так и в мировом простран­стве среди космических тел и их систем.

С проявлениями тяготения, гравитации, мы встре­чаемся буквально на каждом шагу. Падение тел па зем­лю, лунные и солнечные приливы, обращение планет вокруг Солнца, взаимодействие звезд в звездных скоп­лениях, — все это непосредственно связано с действием сил тяготения. В связи с этим закон тяготения получил наименование «всемирного». Его открытие помогло разо­браться в целом ряде явлений, причины которых до это­го оставались неизвестными.

Количественная сторона закона тяготения получила многочисленные подтверждения в точных математиче­ских расчетах и астрономических наблюдениях. Доста­точно вспомнить хотя бы о «теоретическом открытии» Нептуна, восьмой планеты солнечной системы. Эта но­вая планета была открыта французским математиком Леверье путем математического анализа движения седь­мой планеты Урана, испы­тывавшего «возмущения» со стороны неизвестного тогда небесного тела.

История этого замеча­тельного открытия весьма поучительна. По мере увели­чения точности астрономи­ческих наблюдений было за­мечено, что планеты в своем движении вокруг Солнца заметно отклоняются от кеплеровских орбит. На пер­вый взгляд это, казалось, противоречило закону тяго­тения, свидетельствуя о сто неточности или даже неправильности. Однако далеко не всякое противоречие опровергает теорию.

Бывают такие «исключения», которые в действитель­ности сами являются прямым следствием закона. Они представляют собой одно из его проявлений, до поры до времени ускользающее от нашего внимания и только лишний раз свидетельствующее о его справедливости. На этот счет существует даже крылатое выражение: «Исключение подтверждает правило». Исследование по­добных «исключений» продвигает вперед научные зна­ния, позволяет глубже изучить то или иное явление природы.

Именно так произошло и с движением планет. Изу­чение непонятных отклонений планетных путей от кеплеровских орбит в конце концов, привело к созданию современной «небесной механики» — науки, способной предвычислять движения небесных тел.

Если бы вокруг Солнца двигалась одна единствеииая планета, ее путь в точности совпадал бы с орбитой, вы­численной на основе закона тяготения. Однако в дейст­вительности вокруг нашего дневного светила обращают­ся девять больших планет, взаимодействующих не только с Солнцем, но и друг с другом. Это взаимное притяже­ние планет и приводит к тем самым отклонениям, о ко­торых говорилось выше. Астрономы называют их «воз­мущениями».

В начале XIX в. астрономам было известно лишь семь планет, обращающихся вокруг Солнца. Но вот в движении седьмой планеты Урана были обнаружены страшные «возмущения», которые нельзя было, объ­яснила, притяжением со стороны известных шести планет. Оставалось предположить, что на Уран действует неиз­вестная «заурановая» планета. Но где она расположена? В какой точке неба ее искать? Ответить на эти вопросы, и взялся французский математик Леверье.

Новую планету, восьмую по счету от Солнца, еще никогда не наблюдал ни один человек. Но, несмотря на это, Леверье не сомневался в том, что она существует. Много долгих дней и ночей провел ученый над своими расчетами. Если раньше астрономические открытия со­вершались только в обсерваториях, в результате наблю­дений звездного неба, то Леверье искал свою планету, не выходя из кабинета. Он ясно видел се за стройными рядами математических формул, и когда по его указа­ниям Галле действительно обнаружил восьмую планету, названную Нептуном, Леверье, говорят, даже не захо­тел взглянуть на нее в телескоп.

Родившись, небесная механика быстро завоевала по­четное место в космических исследованиях. Она являет­ся сегодня одним из самых точных разделов астрономи­ческой пауки.

Достаточно упомянуть хотя бы о предвычислении мо­ментов солнечных и лунных затмений. Известно ли вам, например, когда в Москве произойдет ближайшее пол­ное затмение Солнца? Астрономы могут дать совершен­но точный ответ. Это затмение начнется около 11 часов 16 октября 2126 г. Небесная механика помогла ученым заглянуть па 167 лет в будущее и точно определить мо­мент, когда Земля, Луна и Солнце займут такое поло­жение друг относительно друга, при котором лунная тень упадет на территорию Москвы. А расчеты движения космических ракет, искусственных небесных тел, создан­ных руками человека? В их основе опять-таки лежит закон тяготения.

Перемещение любого небесного тела, в конечном счете, полностью определяется действующей на него силой тяготения и той скоростью, которой оно обладает. Мож­но сказать, что в современном состоянии системы не­бесных тел однозначно заключено ее будущее. Поэтому основная задача небесной механики и состоит в том, чтобы, зная взаимное расположение и скорости каких-либо небесных тел, рассчитать их будущие перемещения в пространстве. В математическом отношении задача эта весьма сложна. Дело в том, что в любой системе движущихся космических тел происходит постоянное перераспределение масс, а благодаря этому изменяет­ся величина и направление сил, действующих на каждое тело. Поэтому даже для простейшего случая движения трех взаимодействующих тел до сих пор не существуем полного математического решения. Точное решение этой проблемы, известной в «небесной механике» под назва­нием «задачи трех тел», удается получить лишь в опре­деленных случаях, когда имеется возможность ввести из­вестное упрощение. Подобный случай имеет место, в частности, тогда, когда масса одного из трех тел ни­чтожна по сравнению с массами других.

Но именно так обстоит дело при расчете ракетных орбит, например, в случае полета к Луне. Масса косми­ческого корабля настолько мала в сравнении с массами Земли и Лупы, что ее можно не принимать во внимание. Это обстоятельство делает возможным точные расчеты ракетных орбит.

Итак, закон действия сил тяготения нам хорошо из­вестен, и мы с успехом пользуемся им для решения це­лого ряда практических задач. Но какими природными процессами обусловливается притяжение тел друг к другу?