Фейнман - 01. Современная наука о природе. Законы механики (1055659), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Измеряя, насколько закрутится нить, моивно было узнать величину силы и убедиться, что она обрат- Ф и з. т.И. Укроп«енная схема прибора, исполъзованпозо зсавендитем для проверки закона всемирного тяеопмния для малик тел и измерения постоянной спязотения О. но пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом точно определялся коэффициент С в формуле Р=С™т ез ибо все массы и расстояния здесь известны.
Вы можете воарааитэк «Все это для Земли было известно и раньшее. Все, кроме массы Земли. Определив из этого опыта величину Си зная силу притяжения Земли, можно было косвенно определить ее массу! Опыт поэтому называют «взвешиванием Земли». Кавендиш утверждал, что он взвесич Землю, хотя оп только измерил коэффициент С; но это единственный способ определить массу Земли. Коэффициент С оказался равным 6,670 10 " ньютон м",ьгг. Трудно преувеличить силу влияния теории тяготения, ее величественных успехов на историго науки. Вместо царивших в прежние века неуверенности, сомнений, неполноты знаний, бесконечных споров и парадоксов перед людьми предстал новый закон во всей своей четкости и простоте. Как важно было то, что все луны, все планеты, все звезды подчиняются столь простому правилу.
'Но еще важнее то, что человек оказался в состоянии понять это правило и предсказывать на будущее пути планет! Это определило быстрый, успешный рост науки в последующие годы; у людей появилась надежда, что и в других явлениях мира прячутся такие же простые закономерности. й т. зяггго тппмое тпнготтгезгые у Но почему. закон так прост3 Что можно сказать о причине этого? До сих пор мы только описывали, как Земля обращается вокруг Солнца, но ни слова не сказали о том, что заставляет ее двигаться. Ньютон не строил догадок об этом; ему было достаточно открыть, что происходит, не входя в механизм происходящего. Но и никто другой с тех пор никакого механизма не атври ь Все физические законы отличаются в этом отношении своим абстрактным характером.
Закон сохранения энергии— это теорема о величинах, которые нужна вычислить и сложить, не думая о причине этого; точно так же и великие законы механики представляют собой количественные математические закономерности, о выутреныем механизме работы которых никаких данных нет. Почему мы можем пользоваться математикой для описания законов, ые зная их причины? Никто и этого не знает. Мы продолжаем идти по этой дороге, потому что на ней все еще происходят открытия.
Предлагались многие механизмы тяготения. Интересно рассмотреть один из ннх, ибо до него время ат времени додумывались то один, то другой ученый. Причем каждый сперва воспрянет духом н ходит осчастливленный своим «аткрытием», но потом начинает понимать, что тут что-то не так. Впервые это открытие произошло примерно в 1750 г. Представьте себе, чта в пространстве носится в разных направлениях с огромной скоростью множество частиц, лишь слегка поглощаемых веществом. Поглощаясь, оыи передают свой импульс Земле. Но так как во всех направлениях их количество одинаково, то все импульсы уравновешиваются.
Когда же неподалеку находится Солнце, то частицы, приближасощиеся к Земле сквозь Солнце, частично им поглощаются, так что от Солыца нх проходит меньше, чем с обратной стороны. Следовательно, Земля ощутит импульс, направленный к Солнцу, и нетрудно видеть, что он будет обратным квадрату расстояния: таков закон изменения прострапствеыного угла, под которым видимо Солнце, с ростом расстояния. Что же плохо в этом механизме? Неверны те выводы, которые из него следуют.
Появляется новая забота: Земля в своем движении вокруг Солыца будет испытывать болыпе столкновений с частпцами спереди, чем сзади (когда бежишь навстречу дождю, лицо мокнет больше, чем затылок!). Поэтому спереди Земля получит больше импульсов, чем сзади, и должна почувствовать сопротивление своему движению, а эта сказалось бы на замедлении ее движения по орбите. Можно подсчитать, сколько времени понадобится Земле, чтобы в результате такого сопротивления остановиться; оказывается, не так уж много; а раз Земля все же движется по своей орбите, то вся эта механика не годится.
И не было предлон<ено ни одного механизма, <объясняющего» тяготение, который бы не предсказывал добавочных, несуществующих явлений. Рассмотрим еще возможную связь тяготения с прочими силами. В нынешнее время не удаегся свести тяготение к другим силам. Тяготение отнюдь не проявление электричества или чего-либо подобного; этим его не объяснишь.
И все же тяготение похоже на другие силы, и любопытно посмотреть, в чем. К примеру, электрическая сила между двумя заряженными телами «З и г. с.14. Относипгельнал сила елентричесного и гравитанионного вооилодействип двух олептрояов. ррааппаапоппов прп ппнепив г длеиплгпеслси отталипватге' цп го = 1,/Огра ООО ООО Оао о ио и и сь з~ ,о еоа аа «оо и и и оо о ооо ооо чрезвычайно похо ка на тяготение: она равна со знаком минус постоянной величине, умноя;енной на волнчипы зарядов тел, и изменяется обратно квадрату расстояния. Правда, она действует з обратную сторону, т. е.
отталкивает. Но замечательно не столько зто, сколько одинаковая; ависимость от расстояния, входящая в оба закона. Не исключено, что тяготение и электричество связаны значительно сильнее, чем мы думаем. Было сделано много попыток объединить их; так называемая единая теория поля — лишь одна из очень изящных попыток сочетать электричество с тяготенпем. Но саман интересная вещь в сопоставлении их друг с другом — это относительная величина этих сил.
Г!юбая теория, в которой появятся обе силы, обязана будет также объяснить величину тяготения (константу 6). Если мы измерим в естественных единицах отталкивание двух электронов (возникающее из-за того, что у них есть заряд) и их притянсение (возникающее оттого, что у них есть масса), то мы можем получить и отношение электрического отталкивания к гравитационному притяжению. Отношение это не зависит от расстояния, это фундаментальная мировая константа.
Изображена она на фиг. 7.14. Гравитационное притяжение составляет 1!4,17 104' от электрического отталкивания! Откуда же может возникнуть такое исполинское число в знаменателе? Оно же не случайно, ведь это нс отношение объема Земли к объему тли. Мы рассматриваем два естественных свойства одного и того же предмета — электрона. Это фантастическое число есть естественная константа, и в нем таятся какие-то глубинныс свойства природы. От каких же свойств оно зависит? Некоторые надеготся, что если кто-нибудь однажды напишет «универсальное уравнение», то одним из егокорнейбудетэточисло.
Но очень трудно найти уравнение, в котором корнем было бы такое немыслимое число. Были придуманы и другие возможности; одна связывает его с возрастом Вселенной. Иначе говоря, необходимо найти в природе еи!е одно такое огромное число. При этом не собираются выражать возраст в годах, нет, ведь год — не «естественная» величина, она введена людьми. 1зг Как пример чего-то естественного выберем время, за какое свет проходит сквозь протон, 10 '4 сея. Разделив это число на возраст Вселенной (2 10" лет, 10'" сея), получим 10-4з — число со столькими же нулями; потому и предлагают считать постоянную всемирного тяготения связанной с возрастом всего мира.
Если бы это было так, то она изменялась бы со временем: по мере старения Вселенной отношение ее лет к промензутку, в течение которого свет проносится мимо протона, возрастало бы. Возможно ли, что постоянная тяготения и впрямь меняется с годами? Ясно, что изменения столь малы, что в этом убедиться нелегко. Вот один из способов проверить эту мысль. Зададим вопрос: что при этом должно было измениться за последние 10' лет (время появлехлд жизни на Земле), т. е. за т?ю возраста Вселенной? За это время постоянная тяготения выросла бы на 10 "о. Оказывается, что если рассмотреть структуру Солнца — баланс между его массой и степенью генерации излучательной энергии внутри Солнца,— то при росте тяя ести на 10 за Солнце оказалось бы не на 10зо ярче, а значительно больше: яркость его возросла бы как шестая степень постоянной тяготения! Можно подсчитать и то, на сколько при таком изменении тяжести Земля приблизится к Солнцу.
В итоге выясняется, что Земля стала бы более чем на 100' горячее и, следоватольно, вся вода из морей превратилась бы в пар. Поэтому мы сейчас пе верим, что постоянная тяготения изменяется по мере того, как мир стареет. Все же приведенный нами аргумент не очень убедителен, и вопрос до конца не выяснен. Как известно, сила тяготения пропорциональна массе, т.
е. мере инерции тела, или мерв того, насколько трудно удержать тело, вращающееся по кругу. Поэтому два тела, тя)келое и легкое, движущиеся бок о бок вокруг массивного тела по одному и тому же кругу с одной скоростью под действием тяготения, будут все время оставаться рядом, потому что движение по кругу требует для большего тела и большей силы. Иначе говоря, тяжесть у белья~ей массы больше как раз в нужной проворили, так что два тела будут вращаться, не удаляясь одно от другого. Если же одно тело находизся внутри другого, то оно и останется там; равновесие является совершенным.
Поэтому Гагарин и Титов наблюдали невесомость всех предметов внутри космического корабля; выпущенный иа руки карандаш, например, вращался вокруг Земли по той же траектории, что и весь корабль, поэтому он замирал, повиснув в воздухе. Любопытно, что эта сила в точности пропорциональна массе; если бы это было не так, то должны были бы наблюдаться явления, в которых инерция и вес отличаются.
Отсутствие подобных явлений было с огромной точнестью проверено на опыте, выполненном впервые 13э Зтвешем в $909 г., а позже повторенном Дикке. У всех веществ масса и вес пропорциональны с точностью 1Л 000 000 000 или даже более того. Не правда ли, замечательный эксперименте 9 8. Ъягопзенме и ожногтепзельноюмьь Заслуживает еще обсуждения видоизменение ньютонова закона тяготения, сделанное Эйнштейном. Оказывается, несмотря на вызванное им воодушевление, ньютонов закон тяготения все же неверен! Учтя требования теории относительности, Эйнпттейн видоизменил этот закон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
