В поисках гравитационной постоянной

 

Даже через полвека после Ньютона величина гравитационной постоянной так и не была выяснена. Сила притяжения в лабораторных условиях была столь ничтожной, что для ее измерения нужны были какие-то сверхчувствительные и сверхточные весы.

В 1774 году новый королевский астроном Невил Маскелайн вместе с профессором математики Чарлзом Хуттоном решили измерить наконец плотность и массу Земли окончательно. Для этого они занялись наблюдением отклонения маятника от отвеса силой притяжения горного хребта в Пертшире. Вес маятника ученые знали. Знали и среднюю плотность горных пород хребта. После долгих измерений и расчетов англичане получили какие-то величины. Но веры в них не было. Слишком много источников ошибок таил в себе способ вычислений. И таким образом, работа Маскелайна и Хуттона должна быть признана неудачной.

Примерно тогда же другой английский ученый Джон Митчел предложил заменить горный хребет парой тяжелых шаров. Однако опыт получался таким тонким и сложным, что было непонятно, кто сумеет его выполнить. Взялся за это известный физик и химик Генри Кавендиш. Он был настолько удивительным человеком и таким талантливым ученым, что я хотел бы рассказать о его жизни подробнее. Только, пожалуй, я это сделаю в «прибавлении». А сначала расскажу об опыте Кавендиша по определению гравитационной постоянной.

Ученый прикрепил пару маленьких металлических шариков к легкой планке, подвешенной на тоненькой медной проволочке. К этим шарикам Кавендиш подносил тяжелые свинцовые шары и измерял, на сколько при этом, из-за возникшего притяжения, поворачивалась планка и закручивалась проволока.

Он сделал столь чувствительную аппаратуру, что ему пришлось поместить всю экспериментальную установку в ящик, ящик поставить в наглухо закрытую комнату и наблюдения производить из другого помещения, через окно при помощи телескопа.

С 5 августа 1797 года и по 23 мая 1798 года Кавендиш проделал семнадцать опытов и вычислил удельный вес, или плотность Земли. Его результат расходился с тем, что насчитали Хуттон и Маскелайн. И никто не мог отыскать причины этого расхождения.

 

 

Рождение новой горы. Со старинной гравюры.

 

Позже, когда французский астроном и математик Пьер Лаплас опубликовал свои теоретические расчеты плотности Земли, исходя из уплощения ее фигуры и изменения силы тяжести, о результатах Кавендиша забыли. Цифры Лапласа были ближе к тем, что получили Маскелайн и Хуттон. Однако прошло время, и измерения, произведенные Кавендишем, повторялись снова и снова. Последний опыт был произведен уже в сороковые годы нашего столетия американским ученым Гейлом из Национального бюро стандартов в Вашингтоне. Он использовал стальной цилиндр массой в шестьсот шесть килограммов и шарики по пятьдесят граммов на коромысле из золота и платины. Интересно отметить, что после перевода результатов Кавендиша в современные единицы разница между опытами 1797 и 1946 годов составила всего 0,2 процента.

 

Почему земля теплая

 

Рассказывают, что случилось это в середине XVIII века, когда кто-то из крестьян, живших неподалеку от подножия горы Везувия, вздумал вырыть у себя во дворе то ли колодец, то ли погреб. На глубине нескольких метров его лопата наткнулась на металл и звякнула. Осторожно расчистив находку, крестьянин увидел прекрасный бронзовый светильник, позеленевший от времени. «В городе за него любители старины наверняка отвалят кучу денег», — подумал он и стал копать дальше. В течение дня он вырыл еще несколько старинных вещей, а потом и статую…

Откуда они здесь под землей, на которой с незапамятных времен росли сады и люди передавали свои плодородные участки по наследству от отца к сыну, из поколения в поколение? Никто и не слышал о том, что здесь могло что-то быть еще, кроме садов и огородов.

В итальянских семьях хорошие новости недолго сохраняются в тайне. Вслед за удачливым «кладоискателем» принялись ковыряться в недрах своих участков и соседи. И вот то один, то другой с шумом заявляли о своих находках…

Примерно так, по рассказам очевидцев, начались раскопки древнего города Помпеи, засыпанного пеплом и залитого грязью во время извержения Везувия 24 августа 79 года нашей эры. Поистине память человеческая короче мига, который называется жизнью. За шестнадцать с лишним веков люди начисто забыли о существовавших здесь цветущих в ту пору городах. Потеряли даже места их нахождения и спокойно разводили овощи над крышами засыпанных строений.

Всю историю своего существования люди терпели страх от извержений, так что понятен интерес ученых к причине этих грозных явлений природы. Сохранились рассказы, что еще в V веке до нашей эры древнегреческий философ, поэт и государственный деятель Эмпедокл из Агригента, устав, как он говорил, от жизни, поднялся на вершину вулкана Этны. Там он и остался жить в хижине, пытаясь выяснить, как бушующий в недрах огонь порождает металлы и камни, а также, отчего случаются извержения.

 

 

Происхождение горячих ключей. Со старинной гравюры.

 

Две тысячи с лишним лет спустя, в начале XIX века на той же Этне, в ста шагах от места, которое и по сей день называется «Торро-дель-философ», то есть «башня философа», была построена первая научная станция для наблюдений за жизнью вулкана. А в 1847 году уже знакомый нам Доминик Франсуа Араго основал постоянную вулканологическую обсерваторию со специальной аппаратурой на Везувии. С середины прошлого века русские ученые не раз предпринимали экспедиции на вулканы Камчатки.

Взгляды на природу вулканических явлений и на причины извержений не один раз менялись. В основном они зависели от того, какая из гипотез о происхождении и внутреннем строении Земли господствовала в данный момент. К XIX веку большинство ученых придерживались того мнения, что первоначальный огонь разбросан по разным местам в теле планеты. Предполагалось также, что на небольших глубинах под корой существуют целые озера расплавленной магмы. Сжатая, сдавленная горными породами эта масса время от времени со взрывами поднимается вверх, и тогда случаются извержения.

Живо было и такое мнение, что Земля еще не остыла и тоненькая твердая кора прикрывает раскаленную и расплавленную основу. При этом кора разрастается, вследствие остывания сжимается и сдавливает магму.

Новый этап в развитии науки о вулканах — вулканологии — наступил в нашем столетии. В 1903 году французские физики П. Кюри и А. Лаборд измерили количество тепла, которое выделяет радий при распаде. Оказалось, что, превращаясь полностью в свинец, 1 грамм радия выделит столько тепла, сколько получится от сжигания полутонны каменного угля. Так не за счет ли радиоактивных процессов действуют вулканы?

В наше время считается, что планеты произошли в результате слипания холодных частиц. И лишь потом разогрелись. Причем радиоактивный распад не единственный источник тепла. Немало энергии освобождается и в результате химических реакций, и при движении масс в недрах планеты. Плотные и потому (ролее тяжелые комья вещества погружаются, как бы «тонут», опускаясь к центру Земли, и вытесняют на поверхность более легкие вещества. Процесс этот происходит страшно медленно. Но Земле торопиться некуда. При таком перемещении потенциальная энергия опускающихся к центру масс уменьшается. А куда ей деваться? Путь один — переходить в тепло!

Сейчас в центре Земли собралось примерно 86,3 процента всего тяжелого вещества, 13,7 процента еще продолжает свой путь. Так что этот источник все еще продолжает согревать нашу планету.

Горняки хорошо знают, что чем глубже шахта, тем выше в ней температура. В самой глубокой шахте — на уровне примерно 4 тысяч метров — люди уже не могут работать. Ученые подсчитали, что каждые 100 метров в глубину температура поднимается примерно на 3 градуса. Это значит — 30 градусов на километр. До центра — 6371 километр. Неужели там бушует 30 X 6371 = = 191 130 градусов Цельсия — без малого 200 тысяч градусов? При такой температуре самые тугоплавкие породы превратились бы в пар, и нашей планете даже мечтать не стоило бы о твердой оболочке.

Скорее всего, скорость нарастания температуры не по всей толще Земли одинакова. Может быть, она на каких-то глубинах замедляется, а то и вообще перестает нарастать. Специалисты считают, что скорее всего температура в центре не должна превышать 5 тысяч градусов. Это, конечно, тоже немало. В справочниках по физике вы легко найдете, например, указание, что самый тугоплавкий металл вольфрам переходит в жидкое состояние при 3410 градусах Цельсия. Значит ли это, что, начиная с некоторой глубины, недра планеты находятся в расплавленном состоянии? Не обязательно. В справочниках температуры плавления металлов и других веществ указаны для условий, соответствующих поверхности Земли. В недрах же совсем иное дело. Представляете себе, когда на каждый слой внизу давят все остальные, наваленные сверху… При давлениях в десятки и сотни тысяч атмосфер температуры плавления веществ становятся совсем иными. Они повышаются.

По расчетам советского ученого В. А. Магницкого, на глубине 1 километра давление равно 275 атмосферам. На глубине 50 километров — около 13 тысяч атмосфер. В центре же Земли — более 3 миллионов атмосфер. Такие величины давлений нам даже и представить себе трудно.

Но если нельзя вырыть шахту глубокую-преглубокую, то, может быть, можно пробурить в коре скважину?

Бурить, бурить как можно глубже… Наверное, если взяться за подсчеты всех скважин, пробуренных в теле нашей планеты, число получится миллионное. При этом скважин, глубина которых больше 5 километров, — тысячи. Несколько десятков прошли 7-километровую отметку. А глубже?

Самая глубокая в мире скважина — Кольская.

Она приближается к 13-километровой отметке.

В чем же дело? Почему, несмотря на давние проекты, люди еще не проникли в тело планеты на такую глубину, какая им нужна?

Это оказалось очень сложной проблемой, и я, пожалуй, расскажу вам о ней, когда мы узнаем побольше о Строении земной коры.

 

Глава пятая. Почему Земля — магнит!

 

 

Мне осталось рассказать вам о последнем из намеченных свойств Земли — о ее магнитном поле. Это явление люди тоже заметили довольно давно. Сначала находили какие-то камни, которые притягивались один к другому и неодолимо влекли к себе железо. Потом обратили внимание и на то, что маленькая стрелочка из магнитного железа, насаженная на иглу, всегда смотрит одним своим концом в одну и ту же сторону, в направлении путеводной Полярной звезды. Даже когда небо бывало закрыто тучами.

Мудрецы считали, что там, возле Малой Медведицы, находится на небе большой магнитный камень. К нему-то и тянутся все магниты Земли. Трудно сегодня сказать, кто первым надумал использовать магнит для указания пути. Может быть, финикийские мореплаватели, а может, китайцы. В Европу компас попал довольно поздно. Попал вместе с арабской легендой о высоких горах из железного камня, что стоят на Крайнем Севере. Будто эти магнитные горы притягивают к себе корабли и вырывают из них все гвозди.

И хотя сила магнита не без основания казалась довольно таинственной, компас пришелся морякам по вкусу.

В конце XVI века английский строитель компасов Роберт Норман описал свойства магнитной стрелки. Он обнаружил наклонение ее к горизонту и возражал тем, кто по-прежнему верил, что «магнитный камень», притягивающий магниты Земли, находится на небе. Басни о магнитных горах его тоже не удовлетворяли. В конце концов Норман ограничился тем, что описал устройство «инклинаториума» — то есть стрелки, вращающейся вокруг горизонтальной оси в направлении магнитного меридиана.

В те времена не меньше моряков и путешественников свойствами магнитов интересовались медики. Они прописывали толченый магнит как слабительное. Представляете, какое нужно было иметь здоровье, чтобы выдержать подобное лечение.

Доктор Гильберт, или сэр Уильям Джильберт Колчестерский, как называли в то время англичане лейб-медика Елизаветы — королевы Англии, не зря занимался магнитами. Семидесятилетнюю королеву не могли не интересовать проблемы сохранения, если не молодости и красоты, то хотя бы здоровья.

Гильберт был умен, учен и весьма осторожен. В 1600 году из-под печатного пресса вышел его обширный труд: «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Шесть книг, написанных прекрасной латынью и снабженных гравированными рисунками. Бессмертный труд.

 

«Гильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать»

 

Елизавета вошла и тихо опустилась в приготовленное для нее кресло возле камина. Вечером особенно заметно, как она немолода. Кажется, что веснушки и темные пятна с возрастом расплылись, усугубив общий нездоровый фон и без того не слишком привлекательного ее лица. Рыжеватые, густо выбеленные сединой волосы, перевитые жемчугом, поредели. Правда, голова ее все еще высоко поднята. Но не заслуга ли это воротника? И не тяжелое ли платье, расшитое золотом, не дает согнуться стану этой пожилой и усталой женщины? Впрочем, глаза у королевы зорки и светятся любопытством. Она машет платком, давая знак начинать…

Лейб-медик берет со стола каменный шар.

— Ваше величество, я не намерен прибегать к голым и утомительным умозаключениям или измышлениям. Мои аргументы, как вы легко можете видеть, основаны только на опыте, разуме и демонстрации. Этот шар, выточенный с немалыми расходами и трудами из магнитного камня, я назвал «тереллой», что означает «маленькая земля», «земелька». Я подношу к ней магнитную стрелку. Смотрите, ваше величество. Я надеюсь, что все леди и джентльмены ясно видят, как один ее конец притягивается к одному полюсу тереллы, а другой к другому. Не так ли ведут себя и стрелки компасов, установленные иждивением адмиралтейства на кораблях флота ее величества? Если не так, то боюсь, что немногие корабли, посланные в неведомые страны, воротятся в свои порты… Но не доказывает ли это, что причина притяжения скрывается не в небе? Не является ли вся наша Земля неким «большим магнитом»?

 

Придворные переговариваются: «Сэру Вильяму не откажешь в проницательности и ловкости в доказательствах. А как он срезал этого надутого индюка лорда Н., браво! Давно пора. Пожалуй, с этим лекарем опасно спорить…» Между тем Гильберт продолжает:

— Век мудрого правления вашего величества даровал человечеству неисчислимые богатства; открыт Новый Свет, изобретено книгопечатание, телескоп, компас… Эти открытия стали источником нового могущества, открыли новые горизонты и в то же время предложили человеческому гению новые задачи. Здесь поможет только опыт!..

Гильберт стал водить магнитной стрелкой по поверхности тереллы.

— Взгляните, ваше величество, на разных удалениях от полюсов магнитная стрелка по-разному отклоняется от своего горизонтального положения. Ее наклонение уменьшается у экватора, и, напротив, на магнитных полюсах тереллы она стремится стать вертикально…

Эти слова заставили двух адмиралов флота протиснуться к столу. Нельзя ли использовать эту способность магнитной стрелки, чтобы решить проблему определения местонахождения корабля в открытом море?..

А Гильберт уже кладет небольшие магнитные стерженьки в легкие кораблики и пускает их плавать в узкое корыто с водой. Всплескивают руками дамы, наблюдая, как устремляются навстречу суденышки со стерженьками, повернутыми друг к другу разноименными полюсами. И как расходятся те, на которых стержни выставлены вперед одноименными концами. Присутствующие в восторге. Королева улыбалась.

— Если ваше величество соблаговолит согласиться с выводом, что Земля — магнит, то остается сделать один шаг и для допущения, что и другие небесные тела, в особенности Луна и Солнце, наделены такими же магнитными силами. А коль скоро так, то не причина ли приливов и отливов, не причина ли движения небесных тел заключается в магнетизме?

Вряд ли кто-нибудь из присутствующих мог понять всю глубину высказанного Гильбертом предположения.

Лорд-канцлер снял с пальца перстень с крупным бриллиантом.

— Прошу вас, сэр Вильям, проверьте, не пропадет ли сила вашего магнита, если положить рядом этот камень? Кажется, существует мнение, что алмазы уничтожают притяжение…

— Милорд, — отвечает врач, — боюсь, что одного камня, даже с вашей руки, недостаточно, чтобы проверить это утверждение. А у меня таких драгоценностей нет.

Взгляды присутствующих обратились к королеве. Поколебавшись, Елизавета приказала принести несколько крупных камней из сокровищницы. Королева была скуповата. Но ей всегда доставляло удовольствие любоваться игрой своих бриллиантов. Тут было несколько возможностей: похвастаться перед придворными, посмотреть на бриллианты и, конечно, не лишено интереса убедиться в том, не уничтожат ли драгоценные камни силу магнита.

Гильберт обложил магнит семнадцатью крупными алмазами и поднес к нему другой магнит. Все затаили дыхание. А вдруг камни исчезнут или испортятся? Но раздался щелчок, и оба стержня слиплись. Присутствующие захлопали в ладоши.

— Ваше величество может убедиться, что и это мнение древних оказывается ложным. Можно уничтожить, конечно, намагниченность железной стрелки. Для этого ее следует нагреть…

Королева зевнула. Ученая беседа утомила всех.

Врач тоже устал. Не доверяя слугам, он сам собрал свои приборы и откланялся почти незамеченный.

«Из доказательства наилучшее — есть доказательство опытом. — Эти слова напишет Бэкон несколько лет спустя после описанного вечера и тут же добавит: — Однако нынешние опыты бессмысленны. Экспериментаторы скитаются без пути, мало продвигаясь вперед, а если найдется серьезно отдающийся науке, то и он роется в одном каком-нибудь опыте, как Гильберт в магнетизме». Странное высказывание для того, кто во главу угла всей новой науки требовал поставить экспериментальный метод. Впрочем, сегодня нам трудно понять, насколько принципиальные побуждения двигали непоследовательным Бэконом в оценке трудов лейб-медика Елизаветы.

 

 

Рудоподъемник в шахте. Со старинной гравюры.

 

Зато совсем иначе звучит отзыв другого современника Гильберта итальянского ученого Галилео Галилея: «Величайшей похвалы заслуживает Гильберт… за то, что он произвел такое количество новых и точных наблюдений. И тем посрамлены пустые и лживые авторы, которые пишут не только о том, чего сами не знают, но и передают все то, что пришло им от невежд и глупцов».

Жаль, что сам Гильберт не узнал об этой блестящей оценке. В марте 1603 года умерла королева, а несколько месяцев спустя за нею последовал и ее врач. Перед смертью он завещал все свою научное имущество Лондонскому обществу медиков. Но страшный пожар уничтожил дом и приборы Гильберта. Осталось лишь сочинение «О магните…» да имя. Много это или мало?

Пожалуй, лучше других на этот вопрос ответил английский поэт Джон Драйден, написавший: «Гильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать».

А какой памятник мы, потомки, поставили великому созидателю науки о магнетизме Земли? В память о нем единица магнитодвижущей силы в системе единиц СГС носит сегодня название гильберт!

 

«О сходстве электрической силы с магнитною»

 

Гильберт доказал, что Земля — магнит. Он изучил поведение магнитной стрелки возле выточенной из магнитного камня тереллы и показал на своей модели причину магнитных наклонений. В двух точках шара стрелки Роберта Нормана становились торчком. Стрелки лучших компасов, помещенные в те же точки, бессильно крутились, не способные выбрать никого направления.

Как же выглядит Земля-магнит? Какую картину имеет ее магнитное поле? Ведь мы, люди, его не видим, не слышим и вообще никак не ощущаем… Правда, есть один очень древний опыт. Он такой старый, что даже неизвестно, кто его проделал первым. Делается он так. На обыкновенный линейный магнит вы кладете листок плотной бумаги и насыпаете на него железные опилки. Потом стучите пальцем по листу и опилки послушно распределяются вдоль силовых линий магнитного поля, показывая их направление. Простой опыт, но исключительно наглядный. Каждая крупинка железа, попав в магнитное поле, сразу же намагничивается, становится как бы маленькой компасной стрелкой. Как и полагается «нормальному» магниту, она тут же сцепляется своим северным концом с южным полюсом соседнего магнитика, тот со следующим и так далее, располагаясь по направлению действия магнитных сил.

У полюсов, где опилки налипли гуще, магнитное поле сильнее. А там, где опилки распределились пореже, и поле слабее. Так же, как у линейного магнита, выглядит магнитное поле и нашей Земли.

«А не спрятан ли внутри планеты, где-нибудь в центре ее, этакий „магнитный столб“, величиной с вавилонскую башню?» — рассуждали знатоки, пораженные небывалой картиной. Долгое время никто не мог придумать ничего лучшего для объяснения. Но тут стали накапливаться факты совсем из другой области, но тоже связанные с магнитом.