Как рождается гравитация

Геннадий Ершов

Как рождается гравитация и где искать загадочные гравитоны? Закон всемирного тяготения – не всемирный. Гравитационная постоянная – не постоянная. С уравнения E=mc2 снята божественная аура. Максимально возможная температура. Какая сила расширяет тела при нагревании? Давление света – существует ли явление в природе? Энергия броуновского движения. Почему не падают облака? Почему на Луне гравитация наоборот? Почему плотность Сатурна меньше воды? На эти и другие вопросы есть ответы в данной книге

Глава 1. Гравитация

1.1. Гравитация или тяготение: идем на обострение.

Введение

Все новое встречается враждебно.

(из опыта)

Гравитация — явление повсеместное, непрерывное и бесконечное, в этом контексте процесс рождения гравитации также непрерывен и бесконечен.

Гравитация, притяжение, тяготение — это те термины, которые являются одними из самых распространенных в физике, но сами термины не притягивают, они лишь дают понять, что в природе существует такое явление.

К великому сожалению, уже на протяжении нескольких веков ученым никак не удается понять, как же работает такой безотказный, вечный механизм. Со дня открытия закона всемирного тяготения Ньютона прошло уже более трех с половиной веков, но механизм гравитации так и остается закрытым. Он что — оказался слишком сложный? Но, с другой стороны, природа никогда специально ничего не усложняет, наоборот — идет более коротким эволюционным путем. Тогда почему мы, пытаясь идти фронтом в этом направлении, но разными тропами теорий, попадаем постоянно в тупики?

Природа держит свои законы в тайне от народа? Или народу нужны специальные очки, чтобы увидеть эту гравитацию? Опять: кто виноват? Виноваты, конечно, ученые, так как это их работа — распознавать, открывать законы природы, расписывать, рассказывать и объяснять об этом нам. Но работа работе рознь: одно дело — землю пахать, другое дело — стихи сочинять, подыскивая правильную рифму, — и там, и там нужны специфические знания. Так и в науке: одно дело — разглядывать под микроскопом цитоплазматические шарики, как это делал Броун, и другое дело — заниматься алхимией, смешивая разные растворы, чтобы получить золото. С Броуном мы разобрались (гл. 4), а вот золото за половину тысячелетия алхимики так и не получили. С гравитацией срок гораздо больше, но ситуация явно критическая: наука слишком долго находится в ее поисках при условии, что действию гравитации мы подвергаемся каждодневно, ежеминутно, ежесекундно!

Мы живем в квантовом мире, но кванты человеческий организм не ощущает. Пытаясь разобраться, эпизодически и постоянно размышляя над проблемой тяготения, я пришел к выводу, что гравитация должна квантоваться. Иными словами, гравитация должна передаваться от одного тела к другому импульсами, квантами энергии. Обращаясь к двум знаменитым теориям — Ньютона и Эйнштейна, можно констатировать, что ни одна из них не подпадает под категорию квантов. Закон всемирного тяготения оперирует массами, но сама масса не обладает притягательными свойствами. Аналогичная ситуация с теорией относительности, здесь ситуация еще хуже, так как в ней даже нет силы, вернее она отождествляется с собственной массой тела, которое скатывается по склону искривленного пространства-времени, предоставленного другой, более тяжелой массой. Но как образуется этот склон, чем искривляется пространство и время — опять той же самой массой? В этом случае теории Ньютона и Эйнштейна должны дополнять друг друга и в конце слиться в одну теорию гравитации, так как гравитация одна и та же, в какой теории ее ни рассматривай. Но, как показало время, все усилия, потраченные на слияние знаменитых теорий, оказались тщетными.

Человечество уже давно подошло к пониманию, что взаимодействие тел между собой посредством тяготения — это общее свойство материального мира. Уж коли это общее свойство тяготения, присущее каждой элементарной частице и так по возрастающей до человека, а затем до космических масштабов, то в чем же кроется тайна гравитации?

Время поджимает — пора разбираться!

1.2. Сила гравитации — есть?

Мир таков, потому что он таков.

(когда нет основы для логических рассуждений)

Так что же все-таки такое гравитация?

Нет смысла углубляться далеко в историю, когда считали Землю плоской, покоящейся на китах, слонах и гигантских черепахах, и все звезды вращались вокруг Земли.

Идеи о возможном устройстве мира, в центре которого находится Солнце, высказывались начиная со времен Аристотеля. Впервые об этом прямо заявил древнегреческий астроном, математик и философ Аристарх Самосский, но в те времена доказать это было невозможно. Аристарх Самосский (около 310 — 230 до н. э.) — выдающийся древнегреческий учёный, сделал первую попытку определить расстояние от Земли до Луны и от Земли до Солнца, впервые выдвинул гипотезу о гелиоцентрической системе мира¹. «Огонь лучше земли, и огню, а не земле, полагается быть в центре Вселенной» [1].

Спустя почти два тысячелетия Николай Коперник вернул гелиоцентрическую систему. До этого периода, как мы помним, существовала геоцентрическая система Птолемея (от др. греч. Γῆ, Γαῖα — Земля). Геоцентрическая система отсчета — это система, где начало координат размещено в центре Земли. Настоящая теория гравитации началась с И. Ньютона. Именно он, с подачи других ученых того времени, стал рассматривать гравитационное взаимодействие в соответствии с убыванием сил по обратно квадратичному закону. Данный закон явился прорывом в расчетах физических параметров планет и их движения по небесным орбитам, но сам закон ни на йоту не добавил физического понимания принципа действия гравитации во всей Вселенной.

О законе всемирного тяготения, о приоритете первооткрывателя до сих пор ведутся споры: одни указывают на Роберта Гука, занимавшего до Ньютона пост главы Лондонского королевского общества, другие — на Ньютона. Гук также оспаривал приоритет всех открытий Ньютона в области оптики. Было это так или совсем иначе, позаимствовал ли Ньютон открытие интегрально-дифференциального исчисления у немецкого математика Г. Лейбница, а также воспользовался ли трудами астронома Д. Флемстида, — все возможно. Но в данный момент меня не интересует моральный облик сэра И. Ньютона. Главное, что закон был открыт и до сих пор служит верой и правдой, бывает, работает некорректно — об этом разговор на страницах данной книги.

К формуле притяжения планет по закону обратных квадратов приложили руку еще несколько ученых, о которых упоминал и сам Ньютон, — это Буллиальд и Кристофер Рен.

Следует привести математическую запись этого закона, который гласит, что между материальными массами m₁ и m₂ существует притяжение (сила гравитации F), которое тем больше, чем меньше расстояние r между ними.

G=6,67·10^—11 Η·м²/кг² — гравитационная постоянная.

Гравитационная постоянная получена экспериментально и никак не связана с другими фундаментальными константами, о ней разговор особый, данной константе посвящена отдельная глава.

Значимость закона всемирного тяготения весьма велика, особенно в наше время, поэтому потомки великого Ньютона назвали этот закон «величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом» [2].

Должен сказать, что данный закон является ключевым в расчетах всей небесной механики, но работает он далеко не всегда корректно, поэтому его следует скорректировать.

Трудно представить, а может и не трудно, что почти три с половиной столетия назад произошло открытие этого закона, но до сих пор человечество не может разгадать несколько тайн и загадок:

1. Что это за загадочные гравитоны, отвечающие за гравитационное взаимодействие, которые не удается обнаружить даже современными инструментальными средствами?

2. Как осуществляется взаимодействие между тяготеющими телами, что такое сила гравитации?

3. Константа гравитационного взаимодействия G остается наименее точно измеренной по сравнению с другими константами.

Ответы вот на эти почему, а также и на множественные другие вопросы будут представлены на страницах данной книги.

Свои исследования и доказательства на тему гравитации начнем с неуловимых гравитонов. Вопрос: они действительно неуловимы?

1.3. Гравитон

1.3.1. Неуловимые гравитоны

Гравитация, по заключению ученых, — это огромное белое пятно в физике.

Гравитон — гипотетическая элементарная частица — предполагаемый переносчик гравитационного взаимодействия в рамках квантовой теории. Предполагается, что гравитон не будет обладать электрическим зарядом и его спин будет равен 2. Почему вопросы поставлены в будущем времени? Все потому, что данная частица до сего времени не обнаружена.

Какие только эксперименты не проводила наука в поисках неуловимых гравитонов. Первый приемник гравитационного излучения был построен в 1960-х гг. в США профессором физики Мэрилендского университета Джозефом Вебером [3]. Детектор представлял собой сплошной алюминиевый цилиндр длиной 1,5 м, диаметром 0,6 м и массой 1,5 т. (Сейчас этот массивный цилиндр находится в Смитсоновском музее в Вашингтоне.)

Цилиндр подвешивался горизонтально на специальной нити в раме из стальных блоков, встроенных в вакуумную камеру, окруженный акустическими фильтрами. Сам цилиндр был облеплен пьезоэлектрическими датчиками, регистрирующими всякое изменение геометрических размеров с точностью до 10^—14 см. Два таких цилиндра (детектора) были разнесены на расстоянии 1000 км друг от друга и установлены в специальных лабораториях. Регистрационная система обоих детекторов синхронизировалась, фиксировались только те сигналы, которые совпадали по фронту с точностью до 0,2 с. В конце 1969 г. Дж. Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил гравитационные волны, пришедшие на Землю из глубин Космоса. По его сообщению, наблюдались совпадения на детекторах до 100 случаев в год, которые можно было интерпретировать как всплески гравитационных волн.

В 1970-х гг. были созданы аналогичные детекторы гравитационного излучения в разных странах. Однако не было однозначных сообщений о регистрации гравитационных волн, наблюдаемых Вебером, и поэтому результаты, полученные им, считаются недоказанными.

В последующие годы использовались гравитационные антенны второго поколения, у которых пятитонные алюминиевые цилиндры охлаждались до температуры 2 К. Точность таких детекторов достигала 2∙10^—17 см.

В России подобные методы регистрации гравитационных волн разрабатывались группой ученых МГУ под руководством профессора В. В. Брагинского. Чувствительность детекторов достигала 5·10^—18 см!

В последние годы для улавливания гравитационных волн используются искусственные спутники Земли с установкой на них лазерных интерферометров. Лазеры фиксируют малейшие изменения расстояний между спутниками, отождествляемые как воздействие гравитационных волн. Существует проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна), однако никаких колебаний спутников, связанных с гравитационными волнами, обнаружено не было.

В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных лабораторий. В некоторых странах созданы специальные подземные лаборатории для улавливания частиц типа «нейтрино», которым пытаются приписать функции переносчика гравитационного взаимодействия.

Почему тела притягиваются друг к другу? В свое время Альберт Эйнштейн объяснил этот феномен, как искривление пространства-времени, созданное гравитирующими телами. С тех пор ученые всего мира хотят проверить, действительно ли пространство и время могут искривляться? И если да, то по каким законам это происходит?

1.3.2. LIGO

В США в начале XXI в. построены два гигантских наземных интерферометра LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) для регистрации гравитационных волн [4]. LIGO является совместным проектом ученых из Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института и многих других научных организаций и университетов США. Проект построен при финансовой поддержке Национального научного фонда (NSF), его стоимость составляет 365 млн долл. в ценах 2002 г., является крупнейшим и самым амбициозным проектом, когда-либо финансируемых NSF (в США приравнивается к проекту «Аполлон» — высадке человека на Луну). В проекте LIGO принимают участие в научном сотрудничестве (LSC) 50 учреждений, с общим числом работающих более 800 исследователей. С вводом в эксплуатацию в 2007 г. Virgo — франко-итальянского детектора гравитационных волн, количество занятых стран, компаний и специалистов существенно прибавилось.

Каждый интерферометр состоит из двух полых цилиндров диаметром 1,2 м, расположенных в форме латинской буквы L длиной 4 км. В цилиндрах поддерживается сверхглубокий вакуум. Для повышения точности наблюдений вакуумные цилиндры установлены на специальном оборудовании, которое гасит колебания земной почвы.

Регистраторами являются лазерные интерферометры: с одной стороны — источник и приемник лазерного излучения, а с другой — зеркала на особых подвесах, одновременно являются пробными массами. Искажение пространства-времени, вызванное прохождением мощных гравитационных волн, вызовет изменение расстояния между источниками и отражателями лазерных лучей. Поскольку цилиндры расположены перпендикулярно друг к другу, то расстояние между одной парой источника и отражателя должно увеличиться, а между другой — уменьшиться. Ожидается, что изменения эти будут относительно невелики — всего несколько долей сантиметра.

Для достижения еще большей точности наблюдений и достоверности информационных сигналов построены сразу две подобные установки на большом удалении друг от друга: одна в штате Вашингтон, а другая — в Луизиане.

Глядя на фотографию американских монстров, я поражен масштабностью детекторов и теми затратами, которые были вложены в данный проект. Это действительно похоже на амбицию американской науки, которая, очевидно, пытается удивить остальной научный мир.

Вот здесь я не прав, американцы — они же прагматичные господа и деньги на ветер кидать не будут. Тогда что? Очевидно, они ожидают, что окупаемость этих проектов очень велика. Пытаются не отстать от Америки и правительства других стран и тоже не жалеют денег на строительство подобных детекторов для обнаружения гравитационных волн. Италия и Франция построили уже упомянутую VIRGO; Англия и Германия — GEO-600; Япония — TAMA-300. Все хотят разгадать великую тайну природы!

Я не принадлежу к числу скептиков и желаю ученым только успешных экспериментов в достижении благородной цели — четкой регистрации и понимания гравитации. В принципе, коллаборация LIGO уже оправдала надежды некоторых ученых: трое из них — Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн в 2017 г. получили Нобелевскую премию за «решающий вклад» в создание обсерватории LIGO и наблюдение за гравитационными волнами.

Ура! Гравитационные волны открыли, это равносильно тому, что неуловимости гравитонов пришел конец! Ан нет, это какие-то странные гравитационные волны, рожденные от слияния двух массивных черных дыр (29 и 36 масс Солнца) с длительностью сигнала, не поверите, аж в две десятые доли секунды, на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от нас! «Менее чем за секунду они образовали черную дыру массой 62 солнечных, а „лишние“, около 4-х солнечных масс были выброшены в форме энергии — в основном в виде гравитационной волны» [5]. (Мой скепсис здесь касается того, что два громаднейших по массе космических тела слились в одно массой 62 солнечных всего за 0,2 секунды!) Это поистине сказочно быстрое слияние огромных масс и энергий.

Предполагаю, что через несколько лет проекты LIGO и Virgo перейдут в разряд музейных экспонатов, как детектор Дж. Вебера, только под открытым небом. Мой анализ данных проектов будет изложен в следующей книге.

Однако! В ближайшем будущем детекторы Вебера предполагают вывести в космос, и начнется новый виток охоты на пресловутые гравитоны. Но, к сожалению, Вебер этого уже не узнает — он скончался в сентябре 2000 г.

Возможно, впервые такой затратный пример показал Н. Тесла, который не смог справиться с молниями, и его проект гигантской башни Wardencliffe Tower на острове Лонг-Айленд спустя 15 лет после начала строительства рухнул от взрыва подложенной взрывчатки.

Глядя на такие масштабные проекты, поневоле скажешь, что А. Эйнштейн действительно был гениальным ученым. Судя по ироническому высказыванию физиков, «гениальность ученого заключается в том, насколько он затормозил развитие науки». Получается уже целый век!

1.3.3. Детектор «Дулкын»

В России тоже ведутся (велись) аналогичные работы, но не в таком масштабе, как у американцев. В Научном центре гравитационно-волновых исследований «Дулкын» (Татарстан) была построена подземная лаборатория ГИПО. Данным центром, по решению комиссии ВПК еще в начале 1990-х гг., был создан экспериментальный образец гравитационно-волнового детектора «Дулкын». Сегодня НЦ ГВИ «Дулкын», похоже, уже не проводит полугодовой эксперимент по проверке принципа эквивалентности Эйнштейна и калибровке лазерно-интерферометрического гравитационно-волнового детектора «Дулкын», так как Нобелевская премия «уплыла» на гипотетических гравитационных волнах через Атлантический океан в Америку.

1.3.4. Большой адронный коллайдер (БАК)

И это еще не все. Еще одно чудо современной мысли, про которое уже известно всем, — Большой адронный коллайдер (БАК) [6]. Этот огромный подземный ускоритель заряженных частиц диаметром 27 км был нацелен на поиск разгадки, а был ли Большой взрыв? Есть ли в природе загадочные и непонятные бозоны Хиггса (частицы Бога)? Доказательство «Стандартной модели» (теории элементарных частиц) и существование гравитонов — гипотетических частиц, которые отвечают за гравитацию.

В строительстве и исследованиях БАК участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более 100 стран мира. Глубина залегания туннеля — от 50 до 170 м с небольшим наклоном туннеля 1,4% относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (—271^о C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. Но даже это чудо научной техники, как показали эксперименты, не в силах уловить или поймать то, чего в природе не существует!

Строительство коллайдера, которое продолжалось семь лет, обошлось в 9 млрд долл. Ускоритель частиц создавался под руководством Европейской организации ядерных исследований. В проекте было задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 млн долл. В то же время Россия внесла деньги в строительство БАК как долевой участник.

В двух больших экспериментальных коллаборациях — CMS и ATLAS трудится солидная международная команда. Вы посмотрите, даже та неполная часть из перечисленных выше установок показывает, какие усилия и финансы затратили и тратят страны и мировая наука (физические, умственные, материальные), какой точности смогли достичь измерительные приборы (5∙10^—19 см), а поймать гравитоны в хитроумно расставленные сети ну никак не удается.

Тогда как и где искать эти загадочные гравитационные волны или неуловимые гравитоны? А ведь они не единичные импульсы, которые уловила LIGO, а их триллионы, квадрильоны и квинтильоны вокруг нас. Похоже, физика зашла в тупик.

Пора уже их, эти гравитоны, отловить, иначе знаменитый закон всемирного тяготения так обрастет научной шелухой, что будущим поколениям его придется откапывать в научной макулатуре как артефакт.

P.S. За теоретическую разработку и предсказание бозона Хиггса в 2013 г. шотландцу Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру присуждена Нобелевская премия по физике. В 2017 г. Нобелевская премия присуждена за открытие гравитационных волн. Гравитационные волны были уловлены двумя лабораториями LIGO, от слияния двух черных дыр, события, которое произошло 1 млрд 300 млн лет назад [5].

БАК — это не только огромная по размерам подземная машина, здесь и научные статьи пишут огромными коллективами. В феврале 2018 г. в «Европейском физическом журнале» (The European Physical Journal C) опубликована статья, которую написали 2040 авторов (!), — «Measurement of the W-boson mass in pp collisions at s√=7TeVs=7TeV with the ATLAS detector» («Измерение массы W-бозона в pp-столкновениях с помощью детектора ATLASs√=7ТэВ») [7]. Интересно, этот фундаментальный авторский труд занесли в книгу рекордов Гиннеса?

1.4. Теории гравитации

1.4.1. Полевая или геометрическая — чья возьмет?

Что ни голова — то теория.

(говорят)

Гравитация, как полагают историки, была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Не важно, что Аристотель ошибался, утверждая, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Важно то, что гравитация была под прицелом ученых древности.

В XVII в. благодаря учениям Коперника, Галилея, Кеплера, Ньютона и других сподвижников науки, произошел качественный прорыв в изучении проблемы гравитации.

Рис. 1.1. Гравитация, по Эйнштейну, — это склон массивного тела,

по которому скатывается менее массивное тело.

Кульминацией изучения феномена гравитации стало открытие самого закона всемирного тяготения, к которому много вопросов, и к нему будем регулярно обращаться на страницах данной книги.

Далее такими учеными, как Лоренц, Планк, Эйнштейн, и другими были разработаны новые красивые подходы к разрешению проблемы гравитации, но, увы, она осталась нерешенной.

В наше время теоретики тоже не сидят, подпирая подбородок кулаками, они ежедневно, час за часом стучат по клавишам клавиатур и уже написали столько, что одних только гипотез перевалило далеко за сотню, а написанное исчисляется тысячами томов.

На сегодня, как говорит Википедия, вырисовалось три перспективных направления к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция. Но если подойти еще более обобщенно, то можно выделить два основных направления — это полевая и геометрическая теории гравитации.

Напомню кратко читателю, что это за направления и где ищут ученые те самые неуловимые гравитоны.

Опыты Галилея и математические законы движения небесных тел Кеплера заложили фундамент для теории гравитации Ньютона. С некоторой натяжкой можно отнести данную теорию к первый полевой теории. Почему с натяжкой? Причина одна — электромагнитные волны были открыты намного позднее, уже после смерти Ньютона. В средине XVIII в. Фарадей экспериментально обосновал и развил свою концепцию полевой природы материи и единства физических сил природы. Далее, как образно отметил Р. Мелликэн: «Только Максвелл облек плебейски обнаженное тело фарадеевских представлений в аристократические одежды математики» [8].Первая статья Максвелла по теории электромагнитного поля так и называлась: «О силовых линиях Фарадея».

Другая половина теоретиков, привлекающих геометрию в свои идеи построения теорий гравитации, считают, что на сегодняшний день любая фундаментальная физическая теория содержит в своей основе некоторый комплекс геометрических идей. Возникло и уже оформилось целое направление геометрического описания гравитации и других фундаментальных взаимодействий в многомерной схеме Калуцы—Клейна.

На сегодняшний день самой известной и, даже можно сказать, признанной теорией гравитации является общая теория относительности (ОТО) А. Эйнштейна. Согласно данной теории, гравитация обусловлена искривлением пространства, создаваемого гравитирующими телами, где геометрические свойства пространства выступают в роли реально действующих сил. Любая масса искривляет пространство-время вокруг себя, другая масса, попадая в данную область искривления, двигается по склону притяжения. То есть склон выступает неким эквивалентом силы притяжения. Наглядно можно представить действие гравитации по принципу гамака.

Эйнштейн начал с 4-мерного пространства-времени. Затем Т. Калуца в своей классической работе 1921 г. предложил геометризовать электромагнетизм, объединив его с гравитацией путем повышения размерности пространства-времени на единицу. Калуца постулировал независимость геометрических величин от 5-й координаты, получивших название «чудес Калуцы» [9].

Потом к чудесам физики начали привыкать и координаты стали размножаться. После относительного спада в середине XX в. интерес к многомерным геометрическим моделям снова возрос в 1970—1980-е гг. Это соотносят, прежде всего, с прогрессом исследований электрослабых и сильных взаимодействий.

В дальнейшем были попытки построения многомерных теорий поля, которые должны были объединить ОТО с теориями электромагнитного, электрослабого и даже сильного взаимодействий. Появилась 6-мерная модель гравиэлектрослабых взаимодействий, содержащая основные элементы модели электрослабых взаимодействий Вайнберга—Салама. Далее — 7-мерная модель гравиэлектрослабых взаимодействий, описывающая основные элементы классической (не квантовой) хромодинамики. И наконец, была построена 8-мерная модель грависильных взаимодействий в метрическом варианте, в которой бозонный и фермионный секторы взаимосогласованы.

Эйнштейна можно отнести к числу фантастов-прагматиков. Его творчество началось в начале прошлого столетия, а в то время население Земли было гораздо меньше, было меньше фантастов, соответственно, их было меньше и среди физиков. В начале XX столетия общемировая численность населения Земли составляла 1,625 млрд чел. Сегодня эта численность составляет 7,5 млрд чел. Росло не только общее число людей, но росло и число физиков. Видимо, по этой причине, как считают сами ученые, гипотезы по гравитации имеют явный переизбыток. Но задача-то осталась нерешенной, а поиск истины с каждой новой гипотезой расширяется в геометрической прогрессии, и это еще больше усугубляет данную проблему.

Продолжают с большей интенсивностью муссироваться идеи так называемого пушинга (приталкивания). Не находя прямого ответа, некоторые физики заходят сзади материи и начинают ее приталкивать и толкать для создания видимости притяжения. Но откуда взять такую энергию? Разве что привлечь опять Бога, так атеизм не позволяет.

Эфир — непонятный, бесконечный и нескончаемый! Несмотря на то, что в начале XX в. эфир был исключен из поставщиков энергии, физики, видя, что все аргументы материи в части гравитации исчерпаны, вновь обращаются к вакууму, т.е. к эфиру. А чтобы его материализовать, придумали, что вакуум не пустой, а «физический», а если физический, то и материальный, субстанциональный и, соответственно, энергонасыщенный. Эфир стали применять как «приталкиватели», так и «притягиватели». На эфир набросились, он стал нужен всем, как спасительная соломинка, когда ухватиться уже не за что.

Эфировые теории отвергают ОТО потому, что данная теория отрицает существование самого эфира, соответственно, отвергаются Большой Взрыв и существование черных дыр. Тем самым отвергается акт появления Вселенной 13,7 млрд лет тому назад. Вселенная, таким образом, признается вечно существующей. Тогда, исходя из признания вечности Вселенной, возникают два запрета: 1) нельзя постулировать, что гравитоны необратимо преобразуются в какой-либо иной вид энергии или материи, 2) нельзя постулировать, что какой-либо вид материи необратимо преобразуется в гравитоны. В первом случае через какое-то, достаточно большое, время исчезнут все гравитоны, а во втором случае исчезнет вся материя и останутся одни гравитоны.

Что будем выбирать? А выбора нет!

Многие гравитонные теории гравитации основываются на гипотезе Ж.-Л. Лесажа. В 1756 г. Лесаж предложил простую кинетическую теорию гравитации, которая давала объяснение силы в уравнении Ньютона. Из гипотезы Лесажа вытекал закон тяготения в формулировке Ньютона. Кроме того, из данной гипотезы следует конечность радиуса действия сил гравитации, так как на расстоянии, большем длины свободного пробега гравитона, тяготение практически исчезает. В основе гипотезы Лесажа лежит предположение о существовании в природе хаотично движущихся с большими скоростями частиц, которые очень редко сталкиваются между собой, легко проходят через тела, изредка поглощаясь ими или теряя часть энергии при столкновениях с частицами тела. В дальнейшем такие частицы стали называть гравитонами.

Еще немного, и можно окончательно запутаться в дебрях гравитационных гипотез, поэтому нужно закончить этот короткий обзор полевой и геометрической систем подхода к проблеме гравитации, но есть еще одно весьма популярное направление — это теория струн и М-теории, о которых также следует вкратце упомянуть.

1.4.2. Струны

Появление струнной теории гравитации относят к 1968 г., когда два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов. Подобные квантовые коллизии описывают с помощью матрицы рассеяния, которая позволяет найти вероятности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.

В каждом конкретном случае ее обычно вычисляют лишь с некоторым приближением.

Венециано и Сузуки установили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов с высокой точностью можно вычислить с помощью бета-функции, которую в 1730 г. придумал Леонард Эйлер. Данную функцию используют редко, и церновские физики наткнулись на нее случайно, просматривая математические справочники. Событие вызвало немалый интерес среди других физиков, так как было установлено, что амплитуда пион-пионного рассеяния задается разложением в бесконечный ряд, первый и основной член которого как раз совпадает с формулой Венециано—Сузуки.

Стоило зацепиться, и, как говорят, пошло-поехало.

В 1970 г. квартет физиков: Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили интересное совпадение. Они вывели ту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики. Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

В начале зарождения теории струн предполагалось, что она математически корректна только в случае, если пространственно-временной континуум является 26-мерным. Но потом в нее был введен спин, и ее пространство-время сократилось до 10 (девять пространственных измерений и одно временное). Вот тут физики удивились тому, что теория сама выбрала размерность.

Но чего-то опять не хватало для триумфа, тогда, решая струнные уравнения, разомкнутые концы струн замкнули, и получились кольца, которым соответствовали не известные науке безмассовые частицы со спином 2.

В 1974 г. физики Шварц и Шерк заявили, что таинственная и безмассовая частица струнной модели и есть гравитон! Эти же господа подсчитали и длину данной струны: она, по их мнению, должна составлять 10^—33см! С такими размерами объектов наука еще не встречалась.

Несмотря на все коллизии и трудности, разработка теории струн, как говорят теоретики, позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации.

Ну слава Богу, хоть что-то пошло на пользу. Поэтому данная теория продолжает и дальше разрабатываться, углубляясь в пучину математических и музыкальных метаморфоз. Появились мембраны, потом их для краткости стали называть просто браны, и опять пошел количественный отсчет: 2 браны, 3 браны, p-браны и т. д. Теория струн стала превращаться в теорию бран произвольной размерности — от 1 до 9.

Мембрана — это, очевидно, резонатор, где усиливается музыкальный звук, издаваемый струнами. Далее ждем смычка или медиатора, после чего должна зазвучать долгожданная мелодия гравитации.

Нет, не зазвучит, нужен самый важный элемент — музыкант.

Ждем-с… и того, и другого.

В 1960-х гг., когда ни одному теоретику не удалось доказать правильность созданной им общей теории, обществом физиков была принята так называемая Стандартная модель (СМ), которая описывала посредством квантовой механики сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Но гравитация с ее безмассовым гравитоном не вписывалась в рамки и этой СМ. Вот тогда и выступил П. Хиггс с предсказанием своей частицы, которая должна отвечать за массу в мире материи. Физики уцепились за данную идею, как за спасительную соломинку, которая должна спасти теорию, да и физику тоже.

Теоретики данного направления возлагали большие надежды на эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК): возможно, вылетит частица Бога с размерностью 10^—33см. Вылетела! В 2012 г., а в 2013 г. получила Нобелевскую премию (см. предыдущий раздел). Частица вылетела, и она оказалась более массивной (125 Гэв), но разглядеть ее толком не успели, так как время жизни бозона Хиггса ничтожно мало, он распадается сразу после своего рождения, не успев ни с чем толком провзаимодействовать.

В XX столетии физики имели дело с двумя фундаментальными физическими теориями — квантовой и общей теорией относительности (ОТО) (Lee Smolin) [9]. В рамках указанных теорий развивались и развиваются другие направления: причинная динамическая триангуляция, теория струн, петлевая квантовая гравитация. Кроме того, эпизодически всплывают на поверхность приверженцы Лесажа с его пушингом, эфиристы — с физическим вакуумом и т. п. Вся эта разноголосица привела к тому, что каждый «инструмент» в этом большом оркестре играет свою партию, не прислушиваясь к другим. Но у природы есть только одна теория и одна гравитация, попытки объединить квантовую механику с ОТО предпринимались самим Эйнштейном. Затем появились Стандартная модель, М-теория, F-теория — увы, результаты пока не увенчались успехом [10].

В физике теорий по гравитации наметился изящный, я бы даже сказал, вычурный стиль математики и экзотических терминов. Авторы пытаются перещеголять друг друга избытком теоретических тонкостей, порой совсем не относящихся к гравитации. Создание и развитие математического аппарата для описания физических взаимодействий мало способствовало, как показывает время, развитию самой теории гравитации. Зато какие красивые и непонятные названия: кривизна пространства-времени, геометрическая и калибровочная концепция физических полей, тензор энергии-импульса электромагнитного поля, фермионные вибрации струн, хамелеонное поле и т. п. Одним словом — схоластика, и далекий от реальности мир теорий уже существует сам по себе.

В данном обзоре я не ставил задачу охватить весь мир теорий по гравитации, существующих в полевой и геометрической форме, да это и невозможно. Был очерчен круг проблем и предполагаемые подходы и решения, существующие в физике. Сразу скажу, что мне они не подходят.

Заманчивость решения самой древней загадки тяготения, с ее обширным полем для научных фантазий, толкает теоретиков на сизифов труд написания новых гипотез. Появились новые направления: геометродинамика, эфиродинамика и т. д.

Заканчивая этот краткий экскурс по теориям гравитации, добавлю еще одно замечание. Человечество живет и существует с самого его зарождения в поле гравитации, но до сих пор не нашло внятного объяснения этому физическому явлению. Это говорит только об одном, что все существующие теории гравитации на самом деле не теории, а только гипотезы, с малой долей приближения к истине. На тривиальный вопрос, прозвучавший выше: «полевая или геометрическая — чья возьмет?», могу ответить: ничья не возьмет! Возьмет моя!

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.

(Евангелие от Иоанна. 11: 9)

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.

F=1/r² (1.2)

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

I=N/4πr²

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

E=Q/4πr²

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

H=I/4πr²

• Освещенность Е_п плоской поверхности, создаваемая точечным источником света

Е_п=Icos α/r²

• Напряженность гравитационного поля (закон Ньютона)

F=GM/r²

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.

γ=g (1.3)

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.

Инфракрасное излучение, его еще называют тепловое, с частотами 10¹²—10¹⁴ Гц (λ=0,1 мм—770 нм), находится в диапазоне между ультракоротковолновым и узкой полосой частот, характерной для видимого, светового излучения 10¹⁴ Гц (λ=770—380 нм). За световым излучением расположены ультрафиолетовое 10¹⁵—10¹⁷ Гц и рентгеновское 10¹⁸—10¹⁹ Гц с длинами волн от 10^—7—10^—13 м. Предел частот, которые могут генерироваться на атомном уровне, находится вблизи 10²⁰ Гц. Излучение с более высокими частотами (гамма-излучение) возникает внутри атомных ядер и при взаимодействии частиц очень высоких энергий.

Электромагнитные волны, несмотря на различные названия, сходны по своему характеру и различаются только частотой генерации. Несмотря на свою схожесть, способ их взаимодействия с веществом различен и связан с их энергией. К примеру, наш глаз чувствителен к свету, тогда как кожа может воспринимать тепловое излучение. Радиоволны не проходят через тонкую металлическую фольгу, тогда как рентгеновские и гамма-лучи свободно проникают через нее.

Далее мы рассмотрим еще одно очень важное свойство электромагнитных волн — это перенос ими энергии.

ЭМВ — переносчики гравитации

Казалось бы, спустя век с небольшим «таинство» электромагнитных волн, о котором говорил Герц, раскрыто полностью. ЭМВ за все эти годы исследованы по всем направлениям, но, полагаю, что от исследователей оказался скрытым еще один существенный признак, о котором пойдет речь далее.

Гравитационное поле и гравитационные волны возникают там, где имеются материальные массы. Все, что имеет массу, а масса присуща любому виду материи, испытывает гравитационное воздействие. К этому известному факту я бы добавил еще одно очень важное дополнение — материальные массы (тела) для гравитационного взаимодействия должны обладать энергией, т. е. иметь температуру выше абсолютного нуля.

Поскольку гравитационные волны как особое излучение, которое отвечало бы только за гравитационное взаимодействие, до сего времени не обнаружены, а гравитация существует, то природа возложила функции гравитации на известные физике явления, для того чтобы мы не остались невесомыми. Посмотрим, что ей для этого необходимо.

Для существования гравитационных волн требуется наличие четырех условий: 1) генератора (излучателя); 2) переносчика; 3) ретранслятора; 4) приемника.

Начнем с конца, т. е. с приемника. Здесь, я думаю, все ясно и понятно — приемниками являются все материальные тела, они же являются и ретрансляторами.

С генераторами тоже ясно: если планеты вращаются вокруг звезд, то генераторами гравитационной энергии являются те самые звезды.

Остается выяснить, что это за гравитационные волны — переносчики гравитации?

Всем понятно, что для удержания громадных планетарных масс на орбитах требуется огромная энергия. Вопрос: на какие плечи природа могла возложить это тяжкое бремя?

Мой ответ однозначен: только на электромагнитное излучение. Энергия звезд распространяется в виде фотонного, электромагнитного излучения, т. е. это излучение и переносит энергию. Да, это не открытие Америки! Но тогда, если логически продолжить мысль, электромагнитное излучение и должно отвечать за гравитацию. В природе нет другой, более мощной энергии, чтобы удерживать на орбитах огромные массы планет.

Если все ЭМВ переносят тепловую и световую энергию, то все они и должны переносить гравитацию!

Должны, но не обязаны, уточнит читатель. Или обязаны? Проверим ЭМВ на предмет задолженности и обязательства.

При распространении электромагнитных волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за некоторое фиксированное время Δt через нее пройдет энергия ΔW, равная:

ΔW= (We +Wm) υSΔt.

We — электрическая составляющая энергии

Wm — магнитная составляющая энергии

υ — скорость распространения ЭМВ

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади.

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора I, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а его модуль равен EB/μμ_o. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

Подставляя сюда выражения для We, Wm и υ, можно получить

Поскольку переносится энергия, то электромагнитной волне должен быть присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением:

W — объемная плотность электромагнитной энергии,

с — скорость распространения ЭМВ в вакууме.

Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы. Для поля в единичном объеме

Отсюда следует

W=mc² (1.6)

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля считается универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения². Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел — энергией, конечной скоростью распространения, импульсом и массой.

Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

Свет, теплота, гравитация — вот это энергетическое трио, порожденное одним источником и переносимое электромагнитными волнами всего частотного диапазона.

Перейдем к трансляторам гравитации.

Что является ретранслятором данной энергии? Очевидно, те самые планеты, а по существу — все материальные тела, включая и частицы. Кроме того, планеты не только транслируют, переизлучают энергию, но сами являются генераторами этой энергии, например Земля. Внутри планеты идет генерация собственной тепловой энергии, а это говорит о том, что Земля является генератором тепловых, гравитационных волн.

Каждый предмет, материальное тело является ретранслятором и аккумулятором тепловой, а значит и гравитационной энергии.

Энергия одного кванта фотона должна равняться одному кванту гравитации — одному гравитону.

e_p=e_g (1.7)

1.9. Фотон — транспорт гравитации

Фотон на месте стать не может,

Его без движенья совесть гложет.

1.9.1. Фотон

Рис. 1.3. Энергия фотона и возбуждение атома.

Ну причем тут фотон и гравитация?

С таким негодующим вопросом набросится на меня боевая рать физиков, а глядя на эпиграф, и лирики тоже.

С окончательными выводами не спешим, начинаем исследовать эту удивительную и многогранную частицу-волну — фотон.

Сегодня мы понимаем, что все окружающие нас излучения можно разделить на составляющие их частицы. К примеру, всем известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов, Ньютон их называл корпускулами. Фотону, как квантовой частице, свойственен корпускулярно-волновой дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, а в других — как электромагнитная волна.

А если мы углубимся в познания современной квантовой физики, то обнаружим, что фотон по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и ни другим.

Фотон, с одной стороны, демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции в масштабах, сравнимых с длиной волны самого фотона. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. С другой стороны, эксперименты показывают, что фотон — не короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделен на несколько пучков оптическими делителями лучей. Фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны, например, атомными ядрами или электронами.

Свое название фотон получил от греческого слова φῶς, «phōs» (свет). Понятие было введено химиком Гилбертом Льюисом в 1926 г. В его теории фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Теория Льюиса не принесла лавров ее создателю, так как находилась в противоречии с экспериментами, но термин фотон физикам понравился и вошел в научную литературу.

Вокруг данной волны (частицы) на протяжении XX в. кипели такие страсти, что мне невольно подумалось, что за этими страстями был потерян один из важнейших признаков, который должен отождествляется с ней как с переносчиком гравитационного взаимодействия.

Забегая вперед, скажу, что еще в 1960 г. американскими учеными Паундом и Ребке был выполнен тончайший эксперимент, в котором было показано: «фотон (квант электромагнитной энергии) обладает также гравитационной массой, которая равна инертной массе m=hv/c²» [13].

1.9.2. Фотон — транспорт гравитации

В нашем случае, совсем не важно, чего в фотоне больше — частицы или волны, главное — он переносит энергию. Энергия фотона е зависит от частоты излучения ν.

е=hν (1.8)

где h=6,626·10^—34 Дж·с — постоянная Планка.

Свет представляет собой распространение в пространстве фотонов, которые ведут себя как поток особых частиц.

Фотон обладает массой и импульсом. Наличие у фотона массы m вытекает из общей взаимосвязи между энергией и массой, введенной в 1900 г. французским математиком Анри Пуанкаре.

е=mc² (1.9)

с — скорость света в вакууме.

m=е/c²

Для фотона е=e_p=hν, откуда масса фотона равна:

m_p=hν/c². (1.10)

Фотон представляет собой элементарную частицу, но не имеющую массы покоя m₀. Массу фотона следует считать полевой массой. Это означает, что свет обладает массой, связанной с электромагнитным полем световой волны.

Помимо энергии и массы фотон обладает импульсом р_p [14, 15]. Импульс фотона был обнаружен экспериментально в 1927 г. А. Комптоном, который за эту работу был удостоен Нобелевской премии по физике. Связь энергии фотона с его импульсом вытекает из общей формулы теории относительности.

Для фотона m₀=0, отсюда импульс равен:

m_p — масса фотона.

Фотон, подобно любой движущейся частице или телу, обладает энергией, массой и импульсом. Вот эти три важные физические величины можно назвать корпускулярными характеристиками фотона

e_p=hν; m_p=hν/c²; p_p =hν/c; (1.12)

Подобно любой вещественной частице, фотон способен переносить энергию. Это очень важно на данном этапе рассуждения, и моя попытка присвоения фотону «чужих», не родственных ему свойств переноса сил тяготения должна увенчаться успехом.

Далее двигаемся к гравитации.

1.10. Две трудности на пути к гравитации

Действие гравитации между двумя телами — это есть переброска энергии от одного тела к другому.

Фотон по своим техническим (паспортным) характеристикам вполне может исполнять роль переносчика или перевозчика энергии.

Следуя логике и зная, что фотон переносит энергию, почему бы нам не возложить на него функцию транспорта гравитации. Нет, не нам — природе! Тем более что кто-то или что-то эту гравитацию переносит, а фотон — это самая распространённая, многочисленная, мобильная и скоростная частица во Вселенной.

Вот здесь перед нами возникают две серьезные трудности.

Трудность №1 — отдача

Процитирую одну фразу из авторитетного источника (С. Г. Калашников), изданного в прошлом веке и предназначенного для студентов университетов: «Если какое-либо первоначально покоившееся тело испускает в определенном направлении электромагнитные волны, то это тело получает импульс G_T=-G_П, направленный в сторону, противоположную излучению, и равную импульсу, унесенному излучением. Это явление подобно „отдаче“ ружья при выстреле» [16, с. 617].

Подобные формулировки можно встретить практически во всех учебниках по физике.

Трудность №2 — давление света

Вторая трудность — это давление света, предсказанное Кеплером и Максвеллом, а потом якобы доказанное экспериментально П. Н. Лебедевым в 1900 г. Сразу отмечу, что в физике сложилось парадоксальное явление — Солнце, с одной стороны, притягивает Землю, а с другой — создает на нее давление! С этим противоречием что-то нужно делать.

Итак, две трудности, два барьера, связанные непосредственно с фотоном, которые пока не позволяют его признать полноценным героем, который мог бы стать переносчиком гравитации.

Присутствие этих трудностей не позволяло и не позволяет до сих пор ученым распространить влияние электромагнитных волн на гравитацию. Стереотип мышления, перенесенный автоматом механики Ньютона в микромир. Стереотип мышления, выработанный неправильным представлением происходящих процессов, связанных с частицами, не имеющих массы покоя и движущихся со скоростью света. Квантовое поведение фотона не доступно визуализации и конфликтует со здравым смыслом.

Анализируя статьи и опыт предшественников, я пришел к выводу: давления света не существует! Две силы, создаваемые одним источником, не могут и не должны быть направлены противоположно или навстречу друг другу. Притом одна сила, с помощью которой Солнце притягивает Землю, превосходит вторую (силу давления) в 10¹³ (десять триллионов) раз!

Вакуум в экспериментах Лебедева достигал 10^—4 мм рт. ст., при таком разрежении невозможно отстроиться от радиационного давления молекул воздуха. В то время техника вакуумирования была еще не совершенна, поэтому у Лебедева не было возможности проводить опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума. С анализом опыта познакомимся немного позднее, в одноименном разделе.

Считаю, что давление света является не доказанным, а точнее — оно не существует. Это утверждение подтверждают эксперименты В. Е. Костюшко с крутильным маятником [17]. Цитата из указанного источника: «С помощью построенного прибора можно увидеть и объяснить природу всех конкретных сил, заставляющих крутильный маятник изменять свое положение, а, вооружившись экспериментально полученными данными, мы получили возможность показать обратный эффект, то есть наглядно продемонстрировать, как вместо отталкивания светом освещаемой пластиночки происходит ее „притяжение светом“» [17, с. 488—497].

Чтобы разобраться с первой трудностью, разделим гравитационное взаимодействие на две составляющие: гравитацию источника и гравитацию приемника — и будем их рассматривать отдельно, прицельно, целенаправленно. Для этого откроем новую главу, попутно продолжим непростой разговор о фотоне.

Заключение

Глава «Гравитация» является предваряющей основную тему по гравитации и гравитационной постоянной. В данной главе выдвинуты три постулата.

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!

Чтобы превратить данные постулаты в аксиомы, потребовалось написать книгу.

Человечество с самого его зарождения находится в поле гравитации Земли, но до сих пор не может обнаружить, что или кто это поле создает. Гравитон — гипотетическая элементарная частица — предполагаемый переносчик гравитационного взаимодействия, в экспериментах не обнаружен. В то же время теоретические модели фактически отгородились от реальной физики забором из математических символов, за которым уже не видно живой природы. Например, теорию струн, на которую физики возлагали большие надежды, невозможно проверить, ни сегодня, ни в обозримом будущем, в силу технологических ограничений. Практики, в свою очередь, на примере LIGO, пытаются поймать единичные гравитоны, но совершенно не те, которыми изобилует природа, заставляя каждого из нас притягиваться к земной коре.

Источники к главе 1

1. Русская историческая библиотека. Аристарх Самосский. URL: http://rushist.com/index.php/greece-rome/2141-aristarkh-samosskij

2. Фейнман Р. КЭД — странная теория света и вещества. М., 1988.

3. Храмов Ю. А., Вебер Дж. Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. М.: Наука, 1983. 2-е изд.

4. LIGO: линейка точностью в 1/10000 диаметра протона, habr. URL: https://habr.com/ru/post/407499/

5. Вопрос науки: Гравитационные волны существуют? URL: https://www.youtube.com/watch?v=sHRG-zQkpyI&t=895s

6. CERN needs you! // + Plus: magazine. URL: https://plus.maths.org/content/cern-needs-you

7. Aaboud M., Aad G., Abbott B., Abdallah J., Abdinov O., Abeloos B. and others. 2035 authors. Measurement of the W-boson mass in pp collisions at s√=7TeVs=7TeV with the ATLAS detector. URL: https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjc%2Fs10052-017-5475-4

8. Большаков В. И. Очерк истории науки о магнетизме. 2002. URL: https://docplayer.ru/28534125-Ocherk-istorii-nauki-o-magnetizme.html

9. Smolin L. The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and what comes next. Houghton Mifflin, Boston, 2006.

10. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: Editorial URSS, 2008. 288 с.

11. Перельман Я. И. Знаете ли вы физику? М.: Терра, 2007.

12. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: АСТ; Астрель, 2004. Т. 5.

13. Паунд Р. В. О весе фотонов // УФН. 1960. №12, декабрь. Т. 72.

14. Борн M. Атомная физика. М.: Мир, 1965. 389 с.

15. Наука и техника. URL: http://n-t.ru/nl/fz/compton.htm

16. Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1970.

17. Костюшко. В. Е. Экспериментальная ошибка П. Н. Лебедева — причина ложного вывода о существовании давления света // Материалы 9-й Междунар. науч. конф. «Пространство — время — тяготение». 2007. С. 488 — 497.

18. Владимиров Ю. С. Пространство — время: явные и скрытые размерности. М.: Либроком, 2012.

Примечания

1

Сведений об Аристархе немного, но историки ему приписывают создание первого календаря и солнечных часов. Главным и единственным дошедшим до потомков трудом считается «О величинах и расстояниях Солнца и Луны», где он впервые в мировой истории попытался установить расстояния до этих небесных тел и их размеры. Данную попытку потомки засчитали и впоследствии поставили ему несколько памятников.

2

Для фотонов это выражение справедливо. При распространении этого закона на все материальные тела необходимо вводить коэффициент. В данной книге этому посвящен отдельный раздел 5.3. «Уравнение E=mc² и два заблуждения» (гл. 5).