Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения (2)

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1191326/1191326_300.jpg

…Но ситуация резко изменилась, когда гравитационную постоянную причислили к фундаментальным физическим константам.

Потому что наворотили кучу космологических и астрофизических теорий, где гравитационная постоянная играла ключевую роль.

Вот тут-то значение гравитационной постоянной оказалось очень даже востребованным. На его основе можно было делать выбор между конкурирующими теориями, которые расходились по разным животрепещущим вопросам.

Например: сколько длился первый этап Большого Взрыва – три микросекунды или четыре? Или: Вселенная, в её нынешнем состоянии – она уже «остывшая» или ещё «горячая»? Или: какова должна быть масса новорожденной звезды, чтобы она превратилась в чёрную дыру не раньше чем через десять миллиардов лет?

Уже сама по себе возможность первичной разбраковки космологических и астрофизических теорий придавала этим теориям хоть какое-то наукоподобие! Для начала и это было неплохо.

Но далее разбраковка набрала такие обороты, что в итоге привела к полному ужасу: оказалось, что будь гравитационная постоянная хоть капельку больше или меньше – и Вселенная просто не смогла бы существовать!

Подумать только, как же мы должны быть благодарны судьбе – за то, что у нас такие башковитые теоретики! А кто подарил теоретикам такую замечательную возможность – показать свою башковитость? Кто сделал первый опыт, из которого оказалось возможно выудить такое нужное значение гравитационной постоянной? А вон кто: скромняга Генри!

Да, давно мы подозревали, что с опытом Кавендиша – что-то не так.

Ибо трудно поверить в то, что в лабораторных условиях удаётся обнаружить собственное тяготение у чушек в полтораста килограммов – а в полевых условиях, при проведении гравиметрических измерений, не удаётся обнаружить собственного тяготения у триллионов тонн поверхностного вещества Земли.

Даже сто раз обнаруженное притяжение лабораторных болваночек померкло бы перед теми неизменно оглушительными результатами, которые даёт гравиметрия.

Вот как она это делает. Вблизи поверхности Земли сила тяготения, действующая на маленькое пробное тело, равна, как полагают, сумме сил его притяжения ко всем маленьким кусочкам, на которые мысленно разбивают Землю.

Если бы Земля была однородным шаром, то результат суммирования зависел бы лишь от расстояния до центра этого шара. Но в том-то и дело, что Земля не является однородным шаром – а это и предоставляет нам возможность убедиться в том, что её поверхностное вещество не обладает притягивающим действием.

И прежде всего обратим внимание на самую большую, прямо-таки глобальную, неоднородность: Земля является не шаром, а эллипсоидом, будучи сплюснута с полюсов – так что она имеет так называемую «экваториальную выпуклость».

Экваториальный радиус Земли примерно на 21 км больше полярного, и, из-за одной только этой причины, сила тяжести на экваторе должна быть несколько меньше, чем на полюсе.

Если прикинуть увеличение экваториального радиуса при условии, что результирующее уменьшение силы тяжести обеспечивается только центробежными силами (из-за собственного вращения Земли), то получается почти 11 км.

Причём, если шар превращается в сплюснутый эллипсоид при сохранении своего объёма, то увеличение экваториального радиуса на 11 км вызовет уменьшение полярного радиуса на те же 11 км. Результирующая разность составит 22 км – т.е., величину, близкую к фактической. Это радует; но обратим внимание, что мы не принимали в расчёт притяжение экваториальной выпуклости, которое оказывает дополнительное противодействие центробежным силам.

Чем больше средняя плотность вещества в экваториальной выпуклости, тем сильнее должно быть это противодействие, и тем меньше должно быть результирующе равновесное увеличение экваториального радиуса.

Расчёты показывают, что, при средней плотности в четыре тонны на кубометр, увеличение экваториального радиуса составило бы не 11 км, а всего-то 7 км. Если, конечно, экваториальная выпуклость притягивала бы.

Но если это увеличение составляет лишь немногим меньше 11 км, то… не нужно иметь семь пядей во лбу, чтобы сообразить: экваториальная выпуклость не притягивает! Против фактов не попрёшь! Впрочем, находятся оригиналы, которые, несмотря ни на что, прут против.

Этих весёлых ребят называют баллистиками – они учитывают влияние экваториальной выпуклости на движение искусственных спутников Земли!

Дальше – больше. Кроме глобальной неоднородности Земли, связанной с экваториальной выпуклостью, есть ведь у неё и более мелкие неоднородности – в распределении плотности вещества в поверхностном слое. Там есть залежи плотных, или, наоборот, рыхлых пород.

Есть огромные горные массивы, где плотность пород составляет около трёх тонн на кубометр. Есть океаны, где плотность воды составляет одну тонну на кубометр на всей толще – даже на глубине в 11 километров.

А есть лежащие ниже уровня моря долины, в объёме которых плотность вещества равна плотности воздуха. По идее о всемирном тяготении, все эти неоднородности поверхностной плотности должны сказываться на показаниях гравиметрических инструментов.

Простейшим из них является отвес: он должен уклоняться в ту сторону, с которой сильнее притяжение поверхностных масс. Так, рядом с мощным горным массивом, отвес должен уклоняться к этому массиву, а на берегу океана он должен уклоняться от океана.

Эти уклонения должны быть вполне заметны, например, при сравнении географической широты пункта, полученной двумя способами: астрономическим (с привязкой к отвесной линии) и геодезическим (без такой привязки).

Обратите внимание: лишь по теории отвес должен уклоняться, а эти уклонения должны быть заметны…

Но на практике оказывается, что никто никому не должен: вышеназванные уклонения отвеса – ни вблизи горных массивов, ни вблизи океанов, ни там и сям сразу – не обнаруживаются.

Самое большой шок по этому поводу испытали англичане, которые в середине XIX века проводили изыскания уклонений отвеса южнее Гималаев, а получили шиш.

Вообще-то, шиши получались везде, но южно-гималайский случай примечателен тем, что уклонения там ожидались рекордные – ведь севернее находился самый мощный горный массив, а южнее был Индийский океан – так что и шиш получился рекордный.

На эти странности с отвесами можно было бы махнуть рукой. Но у запасливых гравиметристов есть ещё приборы похитрее: гравиметры, которыми измеряют силу тяжести.

В результаты этих измерений, конечно, вносят расчётные поправки на поверхностные неоднородности. Рассуждают так: если бы этих неоднородностей не было, то на уровне моря гравитационная сила была бы везде одинакова…

Но, раз уж неоднородности есть, то, вооружённые законом всемирного тяготения, будем рассчитывать их вклад и вычитать его из результатов измерений… Тогда, при правильных расчётах-учётах, будем получать ту самую, везде одинаковую гравитационную силу на уровне моря!..

Представляете, сколько было бы радости, если всё получалось бы именно так?! Увы, на практике всё совершенно иначе. Если продраться сквозь терминологические и методологические дебри, которые специально нагромоздили для запутывания непосвящённых, то фактическая картина оказывается вот какой.

После внесения, в результат измерения, поправки на поверхностные неоднородности, итоговый результат отличается от той самой величины, везде одинаковой на уровне моря, как раз на значение внесённой поправки.

То есть, если поправки на поверхностные неоднородности не вносить, то чистые измерения как раз и дают ту самую гравитационную силу, везде одинаковую на уровне моря. Проще всего это объяснить так: поверхностные неоднородности, хотя и существуют, не оказывают никакого воздействия на гравиметрические инструменты!

«Но это нас не устраивает, – прикидывали теоретики, – ведь любые два кусочка вещества… притягиваются друг к другу… с силой…» – ну, и так далее.

Задача поначалу казалась неподъёмной: как такое может быть, что неоднородности на приборы действуют, а приборы их не замечают? Долго ли, коротко ли, но эту задачу решили, предложив остроумную гипотезу об изостазии.

На общепонятном языке термин «изостазия» означает, что под поверхностными неоднородностями распределения масс находятся неоднородности противоположного знака, которые в точности компенсируют действие первых. Причём – повсеместно.

Так, под горным массивом просто обязаны находиться залежи рыхлых пород. Ошибки недопустимы. Тысяча тонн меньше – недобор! Тысяча тонн больше – перебор!.. Ну, а под океанами обязаны залегать породы очень плотные.

Океаны – они, похоже, только над плотными породами разливаться и способны. И, опять же, разливаются они не абы как: чем больше глубина океана, тем мощнее компенсирующие массы.

Представляете, какая концентрация масс обязана быть под Марианской впадиной, чтобы обеспечивать изостазию в её районе? Жуть!

Вы, наверное, сейчас качаете головой и думаете, что мы напраслину несём, что изостазия – это какая-то шутка.

Ничуть: учёные мужи говорят об изостазии с очень серьёзным выраженьем на лице. Не сорваться на хохот им помогает учение о том, что изостазия формируется за огромные промежутки времени, сравнимые с геологическими эпохами. Считается, что на таких промежутках времени даже твёрдые породы обладают некоторой текучестью.

Вот, якобы, за миллиарды лет и выдавливают они друг друга – плотные рыхлых, а рыхлые плотных – формируя изостазию. И ведь не придерёшься – кто же располагает геоморфологическими и гравиметрическими данными за миллиарды лет?

Впрочем, бывают же случаи, когда весьма сильные перераспределения поверхностных масс происходят за сроки, ничтожные по геологическим меркам. Например, это случается при катастрофических землетрясениях, когда за несколько минут ландшафт изменяется до неузнаваемости.

Или при извержении подводного вулкана, когда за несколько суток наращивается подводная гора или даже новый остров. Или при разработке месторождений полезных ископаемых, когда за несколько лет из карьера выгребают и увозят миллионы тонн породы. Уж тут-то изостазия установиться не успеет, и гравиметрические инструменты, кажется, должны реагировать на эти изменения?

Но – ничуть не бывало! Правда, об этом помалкивают. Кому нужны нездоровые научные сенсации? Подавай сенсации здоровые – вроде той, что астрономы пронаблюдали, как «чёрная дыра пожирает звезду», а в качестве доказательства представили видеоклип, состряпанный средствами компьютерной анимации.

Или вроде того, как сейчас лихо составляются гравиметрические карты планет и даже астероидов. Очень это полезное дело – сплавить гравиметрические изыскания подальше от Земли.

А то на Земле с ними так нахлебались, что и вспоминать стыдно. Была ведь мощная кампания по применению гравиметрических приборов – вариометров – для разведки полезных ископаемых.

В некоторых случаях вариометры, действительно, указывали направление, в котором находились искомые залежи. Но эти случаи, в полном согласии с теорией вероятностей, происходили из-за того, что если прибор указывает направление совершенно случайно, то рано или поздно он укажет его правильно.

Поэтому разработчики месторождений, конечно, принимали к сведению гравиметрические разведданные, а проходку-то вели по данным сейсмических и электромагнитных методов. Но, несмотря ни на что, идея оказалась невероятно живуча: до сих пор разные организации предлагают простакам услуги по гравиметрической разведке.

Простаков хватает: мало кто знает, зачем понадобилась гипотеза об изостазии.

Напомним: она понадобилась, чтобы избежать оглушительного вывода о том, что неоднородности в распределении масс не оказывают воздействия на гравиметрические приборы.

Если вышеизложенные факты из практики так и не убедили кого-то в том, что гипотеза об изостазии – это нелепость, то приведём ещё простенькое теоретическое соображение.

Если в некотором регионе действительно имела бы место изостазия, обнуляющая влияние неоднородностей масс при измерениях силы тяжести, то тогда в этом регионе не имела бы место изостазия, обнуляющая влияние неоднородностей масс при наблюдениях уклонений отвеса.

И наоборот. Дело в том, что никакое распределение заглублённых масс не могло бы скомпенсировать сразу и вертикальные, и горизонтальные силовые возмущения от поверхностных неоднородностей. Но ведь «изостатический эффект» повсеместно наблюдается и с помощью гравиметров, и с помощью отвесов!

Значит, дело здесь вовсе не в компенсирующих распределениях масс. Следует либо придумать, вместо гипотезы об изостазии, другую спасительную гипотезу – поприличнее – либо признать-таки, что неоднородности в распределении масс не влияют на показания гравиметрических приборов.

Но что означало бы такое признание? Да то и означало бы, что тяготение порождается не веществом, не массами.

Что вещество Земли, которое мы попираем своими стопами, собственного тяготения не имеет. Что нам только кажется, будто это самое вещество притягивает – пока оно входит в состав планеты Земля. Которая потому и является планетой, что удерживается в центре планетарной сферы тяготения. Которая и обеспечивает «притяженье Земли».

Причём, едва ли Земля находится на особом положении, когда не имеет собственного тяготения лишь вещество, входящее в её состав – а вещество в остальном космосе собственное тяготение очень даже имеет. Тяготение – как известно, свойство универсальное, и если на Земле оно порождается не веществом, то и в остальном космосе – тоже.

А вещество – оно везде вещество. Поэтому вполне допустимы космические тела, не имеющие собственного тяготения. В смысле – не имеющие его вообще совсем. С чего тебе его иметь, если ты не звезда и не планета? Если ты всего-то – спутник планеты, да не Луна и не Титан? Говорите, оно по закону всемирного тяготения всем положено? Ага, щас мы вам всем вынем да положим! Вы – Фобос, Ганимед, Янус, Оберон и прочие – держите карманы шире! А вы – Тефия, Диона, Миранда, Нереида и прочие – держите шире лифчики! Ишь!..

Так оно было или примерно так, но у шести десятков спутников планет Солнечной системы никаких признаков собственного тяготения не наблюдается!

Ни атмосфер у них нет, ни собственных спутничков – по теории вероятностей это ай-яй-яй просто. Но учёные, несмотря ни на что, пребывают в несокрушимой уверенности в том, что собственное тяготение у спутников есть.

Иногда на этой почве до смешного доходило. Вот у Юпитера есть четыре крупных спутника. «Ясно же, как пень, – прикидывали учёные, – что эти четыре спутника друг друга притягивают. Значит, каждые три из них влияют на движение четвёртого. Рассмотрим-ка движение этой четвёрочки и выцарапаем их массы, по принципу: у кого масса больше, тот влияет сильнее, а влияется слабее!»

Казалось бы – просто. Но эта простенькая задачка доводила исследователей до умопомрачения. Конфуций предупреждал: «Трудно искать чёрную кошку в тёмной комнате – особенно если её там нет».

Исследователи про это знали, но думали, что Конфуций предупреждал дурачков каких-нибудь – а мы-то, мол, не дурачки. И вот что у них, не-дурачков, получалось. Брали в обработку движение той четвёрки на некотором интервале времени, делали все мыслимые и немыслимые натяжки, и получали на соплях «наиболее вероятные» значения масс.

А потом – впадали в прострацию. Потому что на другом интервале времени натяжки приходилось делать совсем другие, и новые «наиболее вероятные» значения масс не совпадали с ранее полученными.

И на третьем интервале – с тем же успехом! И – так далее! Это у них даже называлось соответственно: динамические определения масс спутников. Надинамившись до посинения, решили так: чтобы труды тяжкие не совсем зазря пропали, надо выбрать тот интервал времени, на котором значения масс получились самые-самые вероятные из набора «наиболее вероятных». Вот их-то и выдали. И примечание сделали: «Не повторять! Опасно!»

Укрепивши, таким образом, свою веру в мощь предсказательной силы закона всемирного тяготения, дождались времечка, когда уровень техники позволил работать даже с такой космической мелюзгой, как астероиды.

«Есть у астероидов собственное тяготение, или нет?» – такой глупый вопрос даже не возникал.

Опять же, было ясно, как пень, что тяготение у них есть, и задача виделась только в том, чтобы это доказать.

Теория гласит: два астероида, достаточно сблизившиеся и имеющие достаточно малую взаимную скорость, из-за притяжения друг к другу непременно должны начать обращение вокруг их общего центра масс. Вот и кинулись искать двойные астероиды и доказывать их обращение.

Поначалу это делалось неуклюже, по косвенным признакам. Обнаружат астероид с периодическим блеском и заявят: это из-за того, что спутник его периодически затмевает. Да нет, говорят им, проще допустить, что астероид сам вращается и блестит то светлой, то тёмной гранями.

Тогда отыщут астероид с двойной периодичностью кривой блеска: уж тут-то точно спутник затмевает! Да нет, говорят им, проще допустить, что фигура астероида асимметрична – например, имеет вырост – и что такой астероид испытывает два вращения сразу.

Тогда предъявят данные радиоастрономии: смотрите, вот радио-изображение чудной парочки – допплеровские сдвиги говорят о её обращении! Да нет, говорят им, это вращается один астероид, с перемычкой: радио-изображения будут такие же.

Короче, настоятельно потребовались более достоверные свидетельства обращения двойных астероидов – фотографические.

И вот однажды…

О.Х. Деревенский

***
Продолжение следует.