Глава 1. ОБРАТНАЯ СТОРОНА ВСЕЛЕННОЙ
1.9 ГОЛОВОЛОМКИ ГРАВИТАЦИИ
Из школьных уроков физики мы знаем, что все тела притягиваются друг к другу. Но почему? Почему мы преспокойно ходим по круглой Земле, не боясь слететь с неё? Почему планеты Солнечной системы не покидают своё светило? Почему Луна миллионы лет так преданна Земле и будет преданна ей ещё столько же?
Почему всё на свете притягивается друг к другу?
Ответ простой и сложный одновременно. Мы не слетаем с нашей планеты благодаря гравитационному притяжению. Чуть подпрыгнем – обязательно вернемся обратно. На Земле мы не можем парить в невесомости, как в космосе. Мы связаны с ней гравитационными силами. Есть даже формулы, описывающие такое взаимодействие. Их знают практически все. Но в чём же кроется сложность?
А сложность в том, что до сих пор неясна природа гравитационного взаимодействия. Над загадкой поля тяготения до сих пор ломают головы лучшие умы человечества. Тем не менее, без этого знания учёные легко рассчитывают орбиты, по которым движутся планеты; создают космические корабли, способные преодолеть земное притяжение и полететь к другим планетам Солнечной системы. Природа раскрывает свои тайны неспешно. И человечество ещё не настолько старо, чтобы знать абсолютно всё. И это, наверно, неплохо. Ведь сколько интересного мы узнаем в будущем! Сколько открытий сделаем!
Каждое тело создаёт вокруг себя гравитационное поле, всё более слабеющее с расстоянием. В то же время сила притяжения зависит от массы. Чем тяжелее тело, тем сильнее гравитационное поле, распространяемое им. Рассмотрим это на примере нашей планетной системы. Самое крупное тело в ней – Солнце. Поэтому и вращаются вокруг него все планеты. Они не движутся вокруг Земли, потому что её масса намного меньше солнечной.
Другой пример – наша планета и естественный спутник. По Земле мы шагаем твердой походкой. А на Луне другая ситуация. Чтобы более-менее уверенно ходить по лунному грунту, нам придётся обуться в тяжёлые свинцовые сапоги, чтобы не прыгнуть далеко. Всё это объясняется тем, что Земля гораздо тяжелее главного ночного светила.
Есть две основные величины, которые характеризуют гравитационные возможности тела. Одна называется напряжённостью гравитационного поля, другая – гравитационным потенциалом. Между ними есть принципиальное различие. Обе величины одинаково возрастают с увеличением массы тела, но по-разному уменьшаются с расстоянием. Напряжённость уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а потенциал – пропорционально расстоянию, без всякого квадрата. Кроме того, напряжённость – величина, которая имеет направленность, то есть это вектор. А потенциал – скаляр, то есть просто цифра.
Напряжённость ещё называют гравитационным полем. Величина поля – это сила, действующая на тело массой один килограмм, то есть единичная сила. А гравитационный потенциал – это работа, которую надо совершить над телом массой один килограмм, чтобы вывести его из поля тяжести.
В центре нашей планеты гравитационное поле равно нулю. Это потому, что поля, создаваемые разными частями Земли, в центре будут компенсировать друг друга. Получается, там самая настоящая невесомость. Ведь отсутствие гравитационного поля как раз и означает, что в этом месте тело не имеет веса. Если бы в центре Земли была полость, и мы каким-то образом смогли в ней оказаться, то парили бы там, словно в открытом космосе.
А вот гравитационный потенциал в центре Земли не нулевой. Более того, он имеет там самое большое значение. Гравитационный потенциал – это, по сути, работа. И нужно немало потрудиться, чтобы вынести тело из сердцевины планеты на её поверхность. Потенциалы от разных частей земного шара в центре просто складываются, а не уничтожают друг друга, как в случае с векторами гравитационного поля. А разность гравитационных потенциалов в центре Земли и на ее поверхности – это работа, которую нужно совершить, чтобы вызволить тело из планетного ядра наружу. Эта величина не маленькая. Вылезти из центра Земли на её поверхность – это всё равно, что пятьсот раз подняться на самую высокую гору в мире – Эверест. Для вылета из земного ядра необходимо ускориться до восьми километров в секунду. Эта как раз первая космическая скорость – скорость, необходимая ракете, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти на околоземную орбиту. Так сильно отличаются величины гравитационного потенциала в центре Земли и на ее поверхности.