Страница 7 из 17
Сила тяготения у поверхности Земли в равной степени воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. Прямо сейчас на нас действует сила земного притяжения, рассчитываемая по закону Ньютона, и мы реально ощущаем ее как свой вес. Если вы что-нибудь уроните, под действием все той же силы этот предмет равноускоренно устремится к земле. Галилею первому удалось экспериментально измерить приблизительную величину ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли. Для Галилея данный физический параметр был просто экспериментально измеряемой константой. По Ньютону же ускорение свободного падения можно вычислить, подставив в формулу закона всемирного тяготения массу и радиус Земли, помня при этом, что согласно второму закону механики Ньютона сила, действующая на тело, равна его массе, умноженной на ускорение. Тем самым то, что для Галилея было просто предметом измерения, для Ньютона становится предметом математических расчетов и прогнозов.
Наконец, закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы и из него можно вывести законы Кеплера, описывающие траектории движения планет. Для Кеплера его законы носили чисто описательный характер; в них ученый просто обобщил свои наблюдения в математической форме, не подводя их под формулы каких-либо теоретических оснований.
В великой же системе мироустройства по Ньютону законы Кеплера становятся прямым следствием универсальных законов механики и закона всемирного тяготения, то есть мы опять наблюдаем, как эмпирические заключения, полученные на одном уровне, превращаются в четко обоснованные логические выводы при переходе на следующую ступень углубления знаний о мире.
Устройство Солнечной системы по уравнениям Ньютона, объединяющим земную и небесную гравитацию, можно понять на следующем примере. Предположим, вы находитесь у края бетонного пускового колодца на космодроме Байконур и у вас в руках – макет первого искусственного спутника земли. Если сбросить спутник в шахту по вертикали, он начнет равноускоренное падение, описываемое законами Ньютона для движения тела с ускорением свободного падения. Теперь катапультируем спутник в направлении горизонта по дуге параболы. В этом случае его движение будет также описываться законами Ньютона применительно к телу, движущемуся с начальной скоростью под действием силы тяжести. Вспомним запуск первого спутника Земли. Скорости ракетоносителя достаточно, чтобы спутник облетел вокруг земного шара. Если пренебречь сопротивлением стратосферы, спутник, облетев Землю, вернется в исходную точку с первоначальной скоростью и будет продолжать орбитальный полет подобно естественному спутнику – Луне. Так мы перешли от описания падения тела в земных условиях (яблока Ньютона) к описанию движения спутника Земли (Луны), пользуясь одними и теми же законами небесной механики. Именно здесь и ясна вся глубина прозрения Ньютона, соединившего считавшиеся ранее различными по своей природе две силы гравитационного притяжения.
Астрофизики считают, что черные дыры чаще всего образуются в результате коллапса нейтронных звезд, когда при сжатии их гравитационное поле все больше и больше уплотняется, и наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Есть ли реальные подтверждения существования черных дыр? Пока астрономы осторожно говорят о «кандидатах в застывшие звезды». Под черными дырами понимаются массивные и компактные сгустки вещества, для преодоления притяжения которых уже не хватает скорости света, поэтому коллапсары не могут светить ни своим, ни отраженным светом.
Теперь понятно, что логика экстремальных построений великого физика могла привести только к одной модели дальнейшего развития части или даже всего окружающего мира. Это была проективная схема роста силы тяготения по мере стягивания всех окружающих тел в одну точку. Эта космическая потенциальная яма в виде гравитационного провала и должна была, по мысли Ньютона, через несколько столетий поглотить человеческую цивилизацию. Однако «гравитационный провал пространства» – это что-то знакомое… Действительно, это, пожалуй, одно из самых популярных сегодня небесных тел – гравитационный коллапсар, или черная дыра!
В 1783 году английский математик Дж. Мичелл, а спустя 13 лет французский астроном и математик П. С. Лаплас рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду. Логика ученых была проста. Для любой планеты или звезды можно вычислить вторую космическую скорость убегания, позволяющую любому телу навсегда ее покинуть. В физике того времени господствовала ньютоновская теория света как потока частиц. Скорость убегания частиц можно рассчитать, исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, улетевшего на бесконечно большое расстояние. Отсюда легко получить радиус тела заданной массы (позднее названный гравитационным радиусом), при котором скорость убегания равна скорости света. Это означает, что звезда, сжатая в сферу с гравитационным радиусом, перестанет излучать – свет не сможет покинуть ее. Во Вселенной возникнет черная дыра.
Сегодня трудно найти образованного человека, который бы не слышал о черных дырах. При этом не проще отыскать того, кто мог бы внятно рассказать об этих таинственных провалах Вселенной. Разумеется, для астрофизиков черные дыры давно являются привычными объектами исследования и астрономы могут предложить большой выбор небесных кандидатов на это звание. Среди них можно встретить и карликовые экземпляры массой порядка солнечной, которые образовались в результате гравитационного сжатия звезд, и сверхмассивные объекты в сотни солнечных масс, которые родились при сжатии целых звездных скоплений в центрах галактик. Кроме этого, физики-теоретики настойчиво предсказывают существование микроскопических черных дыр, которые физики-экспериментаторы не менее настойчиво ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий.
Физики-теоретики описывают коллапсары как самоподдержи-вающиеся гравитационные поля, сконцентрированные в сильно искривленных областях пространства-времени. Несложно рассчитать, что Солнце превратится в черную дыру, если сожмется до объекта с радиусом примерно три километра. Плотность его вещества при этом достигнет невообразимой величины. Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.
Сам по себе термин «черная дыра» появился в конце 60-х годов прошлого века. Его появление связывают с научно-популярными статьями знаменитого американского физика Дж. Уилера. Термин мгновенно прижился, вытеснив ранее использовавшиеся выражения «темные звезды», «замерзшие звезды», «коллапсары» и «застывшие звезды».
История открытия коллапсаров включает несколько основных этапов. Впервые их чисто формально, как объекты, для которых вторая космическая скорость больше скорости света, предсказали в конце XVIII века Дж. Мичелл и П. С. Лаплас. Их расчеты основывались на теории тяготения Ньютона и его корпускулярной природе света. В 1783 году профессор Кембриджского университета Дж. Мичелл, физик, астроном и геолог, попытался объединить два великих творения Ньютона – механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Эта гипотеза привела к парадоксальному выводу: оказалось, что небесные тела могут превратиться в ловушки для света.
Мичелл считал, что частица света, как и пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, только если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более трех километров, то даже частицы света не могли бы улететь далеко от такой звезды. Если гравитация звезды столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом.