Земля и космос. От реальности к гипотезе - Страница 20

Спутник, вращающийся по орбите вокруг Земли, находится по отношению к Земле в свободном падении и без помех отвечает на гравитационное поле нашей планеты. Однако он не падает на Землю. Таким образом, масса шесть фунтов на спутнике имеет вес ноль фунтов — и то же относится ко всем объектам, сколь бы массивны они ни были. Объекты на орбитальном спутнике являются невесомыми (если точнее, объекты на спутнике «пытаются» ответить на гравитационное поле самого спутника и других объектов на нем, но эти поля ничтожно малы, так что их можно не принимать во внимание).

Значит ли это, что схожесть веса и массы, к которой мы привыкли на поверхности Земли, в космосе не существует? Конечно. Инерция любого объекта — то есть сила, противостоящая ускорению, — зависит только от массы объекта. Большой металлический штырь столь же трудно двигать на Луне, как и на Земле. Трудности в перемещении на космической станции те же, хотя там вес равен нулю.

Астронавтам придется быть осторожными, — и если они не учтут полученных предостережений, то могут умереть.

Каким образом мы можем измерить массу? Единственный способ — использовать нечто вроде устройства из двух чашечек, балансирующих относительно некоего центра. Предположим, что какой-либо объект неизвестного веса помещен в левую чашечку. Она опускается, а правая поднимается.

Далее предположим, что мы кладем несколько металлических брусков, каждый из которых весит ровно один грамм, в правую чашечку. Пока вес всех брусков будет меньше веса объекта, находящегося в левой чашечке, правая останется поднятой. Как только вес содержимого левой и правой чашечек станет одинаковым, они установятся на одном уровне и, таким образом, вес объекта в левой чашечке будет нам известен.

Но теперь оба веса одновременно являются объектами влияния гравитационного поля, так что эффект этого поля уравновесится. Если это поле усилится или ослабнет, то, соответственно, усилится или ослабнет его влияние на оба объекта одновременно, так что они все равно окажутся сбалансированными. К примеру, эти два тела сохранят свой баланс, если их перенести на Луну. Такой баланс означает, что осталось только одно свойство, которое можно измерить, — масса.

Ученые предпочитают измерять массу, а не вес, и потому используют понятия «более массивный» и «менее массивный» вместо «более тяжелый» и «более легкий» (хотя часто и они делают оговорки).

И даже ученые еще окончательно не освободились от «доньютоновского» мышления через три столетия после Ньютона.

Попытайтесь представить себе такую ситуацию: химик тщательно измеряет массу какого-либо объекта, используя точные химические весы, и добивается того, что две чашечки весов, как мы описали выше, приходят в равновесие. Что он делает? Он «измеряет массу» объекта. Можно сказать это короче? Очевидно, нет. Нельзя ведь сказать, что он «отмассил» объект или «смассил» его. Единственное, что он все же может произнести, — это то, что он «взвесил» объект, и он обязательно так скажет. И я тоже так скажу.

Но взвесить предмет — значит определить его вес, а не его массу. Мы вынуждены использовать термины, что были до Ньютона.

Эти маленькие частицы металла, каждая из которых весит по грамму (или любой другой весовой эквивалент), должны получить название «стандартные массы», если они используются для измерения массы. Но они не используются. Они называются «вес».

Химик часто имеет дело с массами атомов, из которых состоят различные элементы. Эти массы называют «атомными весами». Но на самом деле это не веса, это массы. (В русском языке используется термин «атомная масса». — Примеч. пер.)

Короче, независимо от того, знает ученый разницу между понятиями «масса» и «вес», он тем не менее пользуется устоявшимися терминами. Здесь он похож на даму, которая не видела разницы между выражением «единственный сын» и «единственный ребенок».

Но продолжим. В предыдущей главе я говорил о массах астрономических объектов в терминах массы Земли. Юпитер в 318 раз массивнее Земли; Солнце в 330 000 раз массивнее Земли; Луна в ¹/₈₁ раза массивнее Земли и так далее.

Но какова масса Земли в килограммах (или в любых других единицах массы, которые мы можем сопоставить со знакомыми нами объектами)?

Чтобы определить это, мы должны воспользоваться уравнением Ньютона, приведенным в предыдущей главе, то есть:

Если это уравнение применять, например, к падающему камню, то F — это гравитационная сила, воздействующая на камень, G — универсальная гравитационная постоянная, m — это масса камня, M — масса Земли, a d — расстояние от центра камня до центра Земли.

К сожалению, из пяти приведенных величин человек в XVIII столетии мог определить только три. Масса камня (m) может быть найдена легко, а расстояние от центра камня до центра Земли (d) были способны определять еще древние греки. Сила тяготения (F) может быть вычислена путем измерения ускорения, с которым камень реагирует на гравитационное поле. Эти измерения произвел Галилей.

Только значения гравитационной постоянной и массы Земли остаются неизвестными. Если узнать значение G, то сразу можно узнать и значение массы Земли. И наоборот, если узнать M, можно быстро определить универсальную гравитационную постоянную.

Так что же нам делать?

Масса Земли может быть определена непосредственно, если бы мы могли провести над ней определенные манипуляции: положив на чашечку весов, сравнивая с каким-нибудь стандартным весом или что-то в этом роде. Однако с Землей ничего подобного сделать нельзя, так что нам придется об этом забыть.

Тогда рассмотрим G. Это универсальная гравитационная постоянная, и она остается одинаковой для любого гравитационного поля. Это означает, что нам не обязательно использовать лишь гравитационное поле Земли для его определения. Вместо этого можно использовать гравитационное поле любого другого объекта, поддающегося манипуляциям.

Предположим, что мы подвешиваем какой-нибудь объект на пружине; она тут же начнет удлиняться благодаря притяжению Земли. Затем мы поместим под подвешенный предмет большой камень. Теперь гравитационное поле камня суммируется с гравитационным полем Земли, в результате чего пружина немного удлинится.

По величине дополнительного удлинения пружины мы можем определить интенсивность гравитационного поля камня.

Это выглядит следующим образом:

где f — интенсивность гравитационного поля камня (измеренное дополнительным удлинением пружины), G — гравитационная постоянная, m — масса подвешенного на пружине объекта, m' — масса камня, a d — расстояние между центром камня и подвешенного объекта.

В этом уравнении может быть определена любая величина, за исключением G, так что мы можем переписать уравнение 2 в следующем виде:

и сразу получаем значение G. Как только мы узнаем это значение, то сможем подставить его в уравнение 1, которое позднее решим для M (массы Земли) следующим образом:

Но здесь возникает трудность. Гравитационное поле камня столь слабо по отношению к массе Земли, что произвести необходимые измерения крайне затруднительно. Камень под телом с пружиной не окажет того эффекта, который можно было бы легко измерить.

Поскольку нет никакой возможности усилить гравитационное поле, следует использовать какое-либо устройство. Нам нужно устройство, способное определить крайне незначительную гравитационную силу тела, достаточно малого, чтобы измерения можно было произвести в лаборатории.