Работа астрономов-наблюдателей, а тем более теоретиков — занятие, казалось бы, отвлеченное. Наблюдения ведутся за объектами, отстоящими от нас на многие миллиарды километров, а то и за сотни миллионов световых лет. Так что все то, что наблюдается в ночном небе, вообще-то мало нас касается. Но так ли это?
Взять хотя бы гравитацию — главную космическую силу, которая удерживает планеты на их орбитах, связывает звезды в галактики, руководит их движением, а значит, в конце концов, определяет судьбу нашей Вселенной. А с силой этой, как выясняется, происходят странные метаморфозы…
Кто тормознул «Пионеров»?
Когда американские исследователи в 1972 году отправляли на окраины Вселенной исследовательские аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11», то предполагали поначалу, что их посланцы произведут лишь разведку окрестностей Юпитера. После этого должны были иссякнуть запасы энергии в плутониевых батареях на борту аппаратов, и те должны были замолкнуть навсегда.
Все вышло совсем иначе. Последний, очень слабый радиосигнал «Пионера-10» был принят станциями слежения 23 января 2003 года, когда аппарат удалился от Земли почти на 15 млрд. километров и вышел за границы Солнечной системы. Причем принимая последние «приветы» своего посланца, исследователи НАСА обратили внимание на странное явление. Согласно эффекту Доплера получалось, что «Пионер-10» определенно замедляет свое движение. Между тем, по теории должно быть как раз наоборот: ведь притяжение Солнца ослабевает по мере удаления от него аппарата…
Одним из первых на этот факт обратил внимание Джон Андерсон, астроном из Лаборатории реактивного движения в Пасадине, штат Калифорния. В 2002 году он и пятеро его коллег, включая Майкла Ньето, о котором речь пойдет ниже, опубликовали подробный доклад о своих наблюдениях. Замедление аппаратов пытались объяснить, например, неполадками в двигательной системе или утечками газа из бортовых емкостей, но большой убедительности такие объяснения не имели. «Мы все дружно пытались докопаться до истины, — говорит Джон Андерсон, — и наши друзья пытались, и наши враги, но никто не преуспел!»
Между тем, феномен «Пионеров» налицо. Кроме того, тот же эффект получили и при поимке сигналов от «Улисса», уже 13 лет вращающегося вокруг Солнца, и от «Галилео», который проработал в районе Юпитера семь лет…
Приключения закона тяготения
По мнению физика-теоретика Лос-Аламосской Национальной лаборатории (штат Нью-Мехико) Майкла Мартина Ньето, речь тут идет не о каком-то локальном сбое, а о проявлении неизвестной силы, «всепроникающем феномене гравитационного характера, о котором мы не имеем никакого понятия»…
Тут Ньето, что называется, наступил на больную (мозоль современной астрофизики. Закон всемирного тяготения, сформулированный триста лет назад великим Исааком Ньютоном, убедительно подтверждается повседневным опытом. Согласно ему падают не только яблоки, но происходят приливы и отливы в океанах и морях, вращаются не только искусственные спутники Земли, но и планеты вокруг Солнца…
Но как только астрономы пытаются применить его во вселенских масштабах, желая, например, проследить движение звезд вокруг центров галактик, они получают парадоксальные результаты. Эти небесные тела вращаются вокруг своих центров гораздо быстрее, чем предсказывает закон всемирного тяготения! Создается впечатление о воздействии на них гравитации неизвестных масс, подхлестывающих звезды! Именно поэтому и появилась гипотеза о существовании во Вселенной так называемой темной материи, которая, как полагают, составляет свыше 95 % массы всей Вселенной.
Оглянемся в историю
Дело в том, что и поныне никто себе толком не представляет, как именно работают силы гравитации, каков их механизм. Еще в XVII веке начались жаркие споры о том, действительно ли гравитация — следствие внешних воздействий или это внутреннее свойство самих тел? Притягиваются ли тела, находящиеся в пространстве, сами по себе или же движутся, подталкиваемые ударами неких мелких частиц?
Французский физик и философ Рене Декарт некогда высказал мысль о непосредственном притяжении, но ничем не смог подтвердить ее на практике. Его коллега Пьер Гассенди объяснял гравитацию, как и магнетизм, некими потоками неуловимых частиц, которые выходят из Земли и тянут тела внутрь, к их источникам. А вот немецкий астроном Иоганн Кеплер придерживался мнения, что Солнце испускает «магнитные нити» и таким образом заставляет планеты вращаться вокруг него.
Однако даже сами авторы гипотез не смогли объяснить с их помощью, почему, например, планеты движутся по эллиптическим траекториям открытым тем же Кеплером.
В спор попытался вмешаться сам сэр Исаак Ньютон. В 1675 году он объяснил притяжение тел к Земле тем, что заполняющий всю Вселенную эфир непрерывными потоками устремляется к центру Земли, захватывая при этом все предметы и создавая силу тяготения. Такой же поток эфира устремляется к Солнцу и, увлекая за собой планеты, кометы и астероиды, обеспечивает их эллиптические траектории.
Такая гипотеза показалась его современникам неубедительной, и вскоре Ньютон выдвинул новое предположение: эфир может иметь разную плотность (концентрацию) вблизи планет и вдали от них — чем дальше от центра планеты, тем гуще эфир. Кроме того, вещество обладает свойством «выдавливать» все материальные тела из более плотных слоев в менее плотные.
Однако в 1706 году неожиданно для всех Ньютон вообще отказался от идеи вселенского эфира. Спустя 11 лет он вновь вернулся к первоначальной гипотезе, но сформулировать ее столь же четко и убедительно, как это было сделано с законом всемирного тяготения, так и не сумел.
Впрочем, сама по себе идея эфирной природы тяготения не была забыта. Так, скажем, британский физик Оливер Лодж в 1907 году определил, что плотность эфира в 1000 раз меньше плотности платины, а энергия, по его расчетам, равна 1033 эрг/см3. Тем не менее, и ему не удалось выяснить, куда же девается энергия поглощенных веществом эфирных частиц.
Лоджу попытались помочь другие исследователи. Джордж Томсон и Анри Пуанкаре, например, предполагали, что энергия поглощаемого эфира превращается не в тепловую, а энергию другого рода. Однако ни они сами, ни их последователи не смогли обнаружить даже следы этой другой энергии. Весьма спорными показались многим и эксперименты по обнаружению самого эфира во Вселенной.
В общем, все вздохнули с облегчением, когда в 1916 году Альберт Эйнштейн в своей теории относительности описывал гравитацию как воздействие материи на свойства пространства и времени, которые, в свою очередь, влияют на движение тел и другие физические процессы.
Таким образом, решение вопроса о существовании эфира было отложено до лучших времен. Свойства тяготения как-то удалось объяснить и без его помощи.
«Эффект полива»?
Теория относительности сыграла ключевую роль в развитии астрономии. Именно благодаря ей во второй половине XX века ученым удалось обнаружить объекты с достаточно сильным гравитационным полем — квазары, нейтронные звезды, пульсары…
Однако сейчас, похоже, и сама теория относительности ставится под сомнение. Так, согласно некоторым выводам из нее получается, что во Вселенной должны существовать некие гравитационные поля и волны. Однако все попытки обнаружить эти волны экспериментально пока заканчиваются неудачей.
Несколько лет назад физик Райли Ньюмен из Калифорнийского университета пытался измерить гравитационное взаимодействие между стальной трубой и медным стержнем, подвешенным на пластиковом тросе в вакуумной камере. По идее, стальная труба воздействует на медный стержень, вызывая еле заметное скручивание пластикового троса. Измеряя это скручивание, Ньюмен надеялся оценить величину гравитационного взаимодействия.
Однако самописец сначала чертил горизонтальную линию, но примерно через час линия пошла круто вверх и снова опустилась к горизонтальному положению. «Это произошло глубокой ночью, — размышлял ученый, — и никак не могло быть объяснено влиянием стальной трубы».
Студенты, участвовавшие в эксперименте, проверили все возможные источники гравитационного воздействия, но ничего странного не обнаружили. А через какое-то время эффект повторился. И тут кто-то случайно обратил внимание, что как раз в это время (около трех часов утра) запускаются поливальные автоматы на лужайке перед зданием лаборатории. Текущая вода и создавала паразитные поля вокруг установки. Однако далеко не все исследователи согласны с таким примитивным объяснением. Некоторые полагают, что экспериментаторам все-таки удалось зафиксировать гравитационную волну. Споры продолжаются, и точку в них должны поставить последующие эксперименты.
Поправил Ньютона?
Тем временем Моти Милгром, физик из Вейцманского института наук в г. Реховоте (Израиль), подошел к той же проблеме с другой стороны. Он заявил, что необходимость в гипотезе существования темной материи отпадет, если немного «подправить» сам закон всемирного тяготения. «А что, если известные нам законы гравитации не применимы к межгалактическим масштабам? — пишет он. — В конце концов, законы Ньютона проверялись лишь 300 лет в пределах Солнечной системы, между тем как типичный период вращения галактик занимает время от момента исчезновения динозавров до наших дней и масштабы воздействия там совсем иные!»
Рассуждения Милгрома поддерживают и некоторые другие исследователи. «Ньютоновское представление о гравитации нуждается в определенной корректировке, — говорит бывший почитатель идеи темной материи доктор МакГауф из Кембриджского университета в Англии. — На Земле ускорение свободного падения любого тела, как известно, равно 9,8 м/с2. А вот наше Солнце и все другие звезды нашей галактики «падают» к ее центру с неизмеримо меньшим ускорением — притяжение центра нашей Галактики слабее земного в десять миллиардов раз!»
Милгром и его последователи уверены, что для таких слабых взаимодействий ньютоновские законы должны быть изменены. По их мнению, при столь малых ускорениях сила гравитации уже будет не прямо пропорциональной ускорению, как утверждает Ньютон, а квадрату этой величины. При таком допущении появляется возможность объяснить и предсказать движение галактик без привлечения ссылок на темную материю.
Впрочем, какая именно концепция строения Вселенной — с темной материей или без нее — окажется справедливой, должно показать будущее. Рассуждения теоретиков должны подтвердить экспериментаторы, которые ищут способы подтвердить (или опровергнуть) наличие темной материи на практике.
Максим ЯБЛОКОВ
