Текст статьи Лешковцев В. А. Что мы знаем и чего не знаем о гравитации : [обзор книг] // Квант. — 1970. — № 7. — С. 62—63.
Тот, кто читал роман И. А. Ефремова «Туманность Андромеды», помнит о железной звезде — «ужасе астролётчиков», которая своим громадным притяжением зaхватывает навечно пролетающие мимо тела.
Ещё более удивительными небесными объектами должны быть звёзды, предсказанные немецким астрономом Карлом Шварцшильдом. Силы тяготения вблизи таких звёзд настолько чудовищны, что испущенный ими свет не может удалиться за пределы близких окрестностей звезды. А луч света, посланный издалека к такой звезде, никогда не сумеет достичь её поверхности. Какая-то странная гравитационная мышеловка! Но, несмотря на всю необычайность подобных небесных тел, теория предсказывает их существование с достаточной степенъю строгости.
Казалось бы, силы тяготения настолько привычны и вездесущи, что человек давным-давно должен был бы знать о них всё, что его интересует. Ведь это так просто: положим камень на весы и измерим силу, с которой он притягивается к Земле! Но, задумавшись над природой такого явления, мы сразу окажемся в плену у нерешённых вопросов.
В самом деле, почему любые два тела всегда притягиваются друг к другу, а не отталкиваются под влиянием гравитационных сил? Почему нельзя отгородиться от действия сил притяжения, подобно тому, как занавеска отделяет нас от солнечных лучей? Какова природа невидимых «пружинок», которые притягивают даже очень далёкие друг от друга тела? Много есть вопросов, связанных с гравитацией, на которые наука ещё не сумела ответить.
Но многое нам уже известно. В 1687 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, который позволил понять, как движутся небесные тела. Следующий важный шаг в познании гравитации принадлежит Альберту Эйнштейну. В 1916 году он создал так называемую общую теорию относительности, которую теперь принято именовать теорией пространства, времени и тяготения. Эта теория заставила учёных пересмотреть свои взгляды на такие важные физические понятия, как пространство и время. Ньютон считал, что свойства пространства и ход времени совершенно не зависят от окружающих тел. Эйнштейн доказал, что чем тяжелее тело, тем сильнее искривлено пространство вблизи него и тем медленнее течёт время в его окрестностях. Пространство, время и тяготение оказались не независимыми друг от друга, а теснейшим образом взаимосвязанными.
Теория Эйнштейна объяснила некоторые загадочные факты, например, смещение перигелия у планеты Меркурий. Но она поставила перед учёными ряд новых сложных проблем. Из неё, например, следует, что любое тело, движущееся с ускорением, должно излучать гравитационные волны. Однако до сих пор никому не удалось их обнаружить и зарегистрировать.
Теория предсказывает также необычайное космическое явление, получившее название гравитационного коллапса. У некоторых звёзд масса может оказаться настолько большой, что гигантские силы притяжения начнут безудержно сжимать звезду, так, что никакое внутреннее давление не сумеет уравновесить действие сил притяжения. При этом звезда сожмётся до ничтожных размеров, сравнимых с размерами Земли, освободив и излучив в окружающее пространство огромное количество энергии.
Общая теория относительности впервые позволила поставить вопрос о том, как устроена Вселенная и как она развивается с течением времени. Она явилась фундаментом современной научной космологии.
Теория тяготения Эйнштейна облачена в очень сложные математические «одежды». Многие из её выводов неожиданны и необычны, и рассказать о них доступным образом нелегко. Но её значение в современной физике исключительно велико. Поэтому каждая новая научно-популярная книга, посвящённая этой теме (а таких книг совсем немного), обычно вызывает большой интерес.
Мы расскажем здесь о некоторых книгах, в которых освещены различные проблемы современной теории гравитации.
Наиболее простое и общедоступное изложение основ теории гравитации содержится в популярной книге М. Гарднера «Теория относительности для миллионов», изданной в 1966 году «Атомиздатом». В пятой главе рассказано об основном исходном постулате теории — равенстве гравитационной и инертной масс любого тела, — подтверждённом с огромной степенью точности специально поставленными экспериментами. В главе шестой описываются взгляды современной физики на силы тяготения, как на результат изменения геометрических свойств пространства и времени под влиянием тяготеющих масс. Три главы (7, 9 и 10) посвящены различным космическим проблемам, связанным с теорией гравитации. В них рассматриваются разныеварианты моделей Вселенной и подробно обсуждается вопрос о так называемом «красном смещении» — изменении цвета небесных объектов под влиянием их движения, происходящего с огромными скоростями. Наиболее современное описание космологических проблем можно найти в небольшой брошюре академика В. Л. Гинзбурга «Как устроена Вселенная и как она развивается во времени», выпущенной издательством «Знание» в 1968 году. (В основу этой брошюры положены три статьи автора в журнале «Наука и жизнь» №№1, 2, 3 за 1968 год.) Вначале автор рассказывает о первых космологических моделях Вселенной, которые были предложены ещё до создания общей теории относительности. Затем, после краткой характеристики основ специальной и общей теории относительности, он рассматривает новые модели, связанные с этими теориями. Согласно модели Эйнштейна Вселенная образует замкнутуютрехмернуюсферу, не изменяющуюся со временем. В модели советского учёного А. А. Фридмана Вселенная либо расширяется, либо сжимается. В модели Леметра Вселенная на некотором этапе замедляет своё развитие, как бы застывая в неподвижности, чтобы затем вновь начать стремительно расширяться.
В. Л. Гинзбург приводит интереснейшие данные о радиогалактиках, которые находятся на расстояниях порядка 5—8 миллиардов световых лет от Земли. Их излучение рассказывает нам о процессах, происходивших в те времена, когда не было ещё не только Земли, но, по-видимому, и Солнца.
В 1969 году издательство «Наука» выпустило научно-популярную книгу П. Бергмана «Загадка гравитации». Автор книги в течение нескольких лет был сотрудником Эйнштейна.
Бергман включил в свою книгу все основные вопросы, связанные с современной теорией гравитации. В книге три главы:
- Ньютоновская физика и специальная теория относительности.
- Общая теория относительности.
- Последние достижения.
Книга содержит увлекательный рассказ об основах теории, предсказанных ею эффектах и нерешённых проблемах, над которыми физики работают в наши дни.
Звёзды Шварцшильда, гравитационный коллапс, природа недавно открытых загадочных небесных объектов «квазаров», космическое радиоизлучение, рассказывающее нам, как выглядела Вселенная миллиарды лет тому назад, и многое другое, не менее интересное, описано на страницах этой книги. Обо всём этом автор рассказывает, практически не пользуясь математическим аппаратом, почти без формул, делая упор на физическую картину рассматриваемых им вопросов. И всё-таки это очень нелёгкое чтение. Книга рассчитана на увлечённых физикой читателей, тех, кто обладает значительной физической и математической подготовкой, и не пожалеет времени на неторопливый и внимательный разбор её страниц.
Автор стремится помочь читателю. Он выносит все основные расчёты в специальное математическое дополнение, помещает в конце книги небольшой толковый словарь наиболее трудных терминов и понятий. И всё же в отдельных частях книга остаётся сложной для понимания школьников старших классов. Правда, есть в ней немало и таких параграфов, которые доступны значительно менее подготовленным читателям. Их особенно много в третьей, заключительной главе книги.
В перечисленных нами книгах целый мир новых идей и фактов, будущих экспериментов, открытых и неоткрытых явлений и законов. И каждый, кто всерьёз прикоснётся к этому миру, безусловно получит большое удовольствие.