Топологическая квантовая теория. II. Сила что движет мирами.
IV. Теория гравитации Ньютона
Квантовая механика существенным образом перевернула взгляды физиков на строение мира на малых масштабах. Выявленные свойства субатомных частиц позволили понять буквально сразу множество явлений в макромире, т.е. мире, где нам привычно жить. Кроме этого, было понято множество явлений, происходящих в мире звезд. К концу XX века, основываясь на квантовых законах были установлены основные принципы, лежащие в основе эволюции звезд и галактик. Появилось объяснение таким звездам, как белые карлики или нейтронные звезды, свойства которых существенным образом зависят от квантовых законов, которые управляют движением частиц в них.
Однако все эти достижения в макромире были связаны с еще одним явлением - гравитационным взаимодействием или полем, которое к квантовой механике до сих пор имело мало отношения. Понимание, что в окружающем нас мире, привычном нам, действует некая загадочная сила, которая удерживает нас на поверхности Земли, пришла в голову физикам далеко не сразу.
Первым человеком, который стал изучать действие этой силы экспериментально, стал, по всей видимости, великий Галилео Галилей - родоначальник современной физической науки! То, что на все тела вблизи Земли действует некая сила, что заставляет их падать ускоренно, если пренебречь сопротивлением воздуха, он установил с помощью прямых измерений и вычислил ускорение свободного падения тел. Объяснения этой силе он не нашел, но сам факт ее существования вошел в физику как фундаментальный факт.
Следующий фундаментальный факт установил не менее великий ученый Исаак Ньютон! Из опытов Галилея следовало, что все тела притягиваются к земле (именно с малой буквы!), Но откуда берется эта сила и присуща она каким-либо другим телам Галилей не знал.
Как говорится в историческом мифе-анекдоте, мысль, что силой притяжения обладают все тела во Вселенной пришла в голову Ньютону вместе с уларом яблока, которое упало на голову Ньютона, когда он сидел под деревом в саду. Однако эта замечательная идея пришла в голову не только Ньютону и, возможно, друг
им способом. Авторство этой гипотезы оспаривал у Ньютона замечательный ученый Гук. Но в историю идея о том, что все тела притягиваются к друг к другу с силой обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и пропорционально произведению их масс вошла под именем закона Всемирного тяготения Ньютона.
Этот закон можно записать в виде формулы:
$$F_{g}=G\frac{m_1 m_2}{r^2_{12}}$$
В этой формуле $m_1$ и $m_2$ - массы частиц, $r_{12}$ - расстояние между частицами, а $G$ - фундаметальная постоянная, носящая название гравитационной постоянной Ньютона. Роль этой силы в окружающем нас мире переоценить не возможно. В 60-х годах наш замечательный ученый-физик К.М. Станюкович в содружестве с журналистом М.В. Васильевым написали замечательную книгу - "Сила, что движет мирами". Трудно придумать что-то более точное, чем это определение силы тяготения - Сила, что движет мирами!
V. Что находится между тяготеющими телами или - Что такое поле?
Теория Ньютона Всемирного тяготения определила развитие физики на последующие три столетия до нашего времени.
Во-первых, из этой теории следовало, что тела влияют друг на друга не через какие-то промежуточные тела, а напрямую через пространство. Причем воздействие от одного тела к другому передается мгновенно. Это теория дальнодействия, которой придерживался сам Ньютон.
Во-вторых, из этой формулы следует, что ее величина пропорциональна массе тел - характеристике, которая к тяготению вроде бы не имеет никакого отношения! Инертная масса - это параметр, который характеризует, как действие сил сказывается на движении тел и не характеризует сами силы. Почему же эта масса определяет и то, как все тела притягиваются?
И, в-третьих, почему сила убывает обратно пропорционально квадрату расстояния?
Эти вопросы заставили физиков активно сравнивать силу тяготения с другими силами, наблюдаемыми в природе, и по примеру формулы Ньютона стали искать аналогичные формулы для этих сил. Так в последствии появился закон Кулона.
Вместе с тем большие разногласия стала среди физиков вызывать теория дальнодействия. Весь опыт физики, которая строилась на базе механики, которую построил тоже Ньютон, говорил ученым, что так не бывает, чтобы нечто мгновенно переносится в пространстве и влияет на другие тела. Во времена Ньютона или чуть позже были измерены и скорость звука и скорость света (Ремер, Бредли). Это показало, что даже загадочный свет имеет хоть и очень большую, но все же конечную скорость. Более того, свет представляет собой нечто материальное. Он может воздействовать на тела.
Поэтому теория дальнодействия была заменена на другую концепцию - близкодействие. Основной ее смысл состоит в том, что воздействие от одного тела к другому передается всегда с помощью чего-то материального и с конечной скоростью. Но как же быть с тяготением? Ведь мы не видим ничего материального между телами. Чтобы эта кажущаяся пустота, но заполненная чем-то, что передает тяготение от тела к телу, не требовала постоянных разъяснений, было предложено назвать это материальное нечто - полем. С тех пор мы постоянно говорим о полях, когда нам надо сказать, что в пространстве между телами есть взаимодействие, которое невидимо передаёт силу от одного тела к другому. Таких полей сейчас существует множество. Но самыми главными из них являются поле тяготения и электромагнитное поле. Этим полям соответствуют два фундаментальных взаимодействия - сила гравитации и силы электромагнитного взаимодействия. Есть еще силы ядерного взаимодействия, но они не наблюдаемы на больших расстояниях, привычных нам. Однако их действие определяет то, что мы можем существовать! Но об этом мы поговорим позже.
Понятие поля очень помогло физикам в процессе общения друг с другом. Более того, проявления некоторых простых полей можно наблюдать воочию. Так, например, железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля постоянного магнита, что делает его видимым. Значит, понятие поля не такое уж несуразное. Однако, само слово поле мало что прибавляет к пониманию того, что же происходит в пространстве между телами, когда они взаимодействуют между собой с помощью полей. Особенно это относится к полю тяготения. Это поле вездесуще и пронизывает все насквозь. Оно действет на все тела и всегда только в форме притяжения. Что же это за поле? Ответ на этот вопрос был дан Эйнштейном.