Пересечение технологий, инноваций и творчества.
В 1763 году пара геодезистов по имени Мейсон и Диксон была нанята для урегулирования пограничного спора между двумя территориями, которые тогда были британскими колониями, Мэрилендом и Пенсильванией. Проведенная ими географическая линия, линия Мейсона-Диксона, впоследствии стала разделительной линией между севером и югом Соединенных Штатов. Но, как сообщает Американское физическое общество (APS), исследование Мейсона и Диксона дало еще один интригующий результат. Это вдохновило на поиск ответа на вопрос: «Сколько весит Вселенная?»
Яблоко Ньютона
Задолго до того, как Мейсон и Диксон приступили к работе, сэр Исаак Ньютон продемонстрировал, что гравитация — это универсальная сила, действующая одинаково как на обычные объекты, так и на небесные тела. Гравитация не только заставила яблоко упасть с дерева (вместо того, чтобы просто уплыть), но и заставила Луну вращаться вокруг Земли, а не улететь в космос. До Ньютона ранние ученые не были уверены, что вопрос «Сколько весит Вселенная?» вообще не было ответа. Ньютон показал, что на него можно ответить, по крайней мере в принципе. Но на самом деле найти ответ было совсем другое дело. Введите Генри Кавендиша, британского физика и химика. Известный эксцентричностью и застенчивостью, Кавендишу было чуть за 30, когда Мейсон и Диксон проводили свою исследовательскую работу, и он увидел тонкое осложнение. Район, который они исследовали, включал горы Аллегейни. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, огромный вес гор должен влиять на их измерительные приборы, возможно, сбивая с толку их измерения. Это осложнение не повлияло на опрос Мейсона-Диксона, который оказался «достаточно хорошим для работы в правительстве». Но проблема продолжала раздражать Генри Кавендиша. Он понял, что проблема не только в том, сколько весят горы, но и в том, сколько весит сама Земля.
Вес или масса?
Сделайте здесь паузу для важного различия. В повседневной жизни здесь, на Земле, мы думаем о весе и массе как об одном и том же. Но, как отмечает Wired, в физике это совершенно разные вещи. Масса — это неотъемлемое свойство всех материальных вещей, а вес — это эффект, который гравитационное поле оказывает на массу. Если вы отправитесь на Международную космическую станцию, то, оказавшись на орбите, вы станете фактически невесомыми, сможете плавать, но ваша масса будет такой же, как и на земле. Когда мы спрашиваем, сколько весит Вселенная, на самом деле мы спрашиваем, какова ее масса. Но для удобства мы говорим о «взвешивании» Вселенной, не беспокоясь о том, как бы вы поместили ее на весы, даже если бы они были достаточно большими.
Взвешивание Земли
Проблема взвешивания Земли продолжала беспокоить Кавендиша десятилетиями. В принципе, законы Ньютона давали решение. Если бы он мог определить гравитационное притяжение, скажем, 100-фунтового груза, он мог бы сравнить его с гравитационным притяжением Земли, и некоторые сложные, но простые математические вычисления дали бы ему вес (или, строго говоря, массу) Земля. Проблема в том, что гравитация — очень слабая сила. Магнит из магазина игрушек может поднять железный гвоздь, преодолевая земное притяжение. Гравитационное притяжение любого легко взвешиваемого объекта настолько незначительно, что его чрезвычайно трудно измерить даже с помощью точного прибора. Конечно, ни один аппарат, доступный в 18 веке, не подходил для этой работы. Так, в 1797 году Кавендиш задался целью построить собственный сверхточный измерительный прибор, названный крутильными весами. По сути, он состоял из двух небольших грузов, установленных на каждом конце горизонтального стержня, подвешенного на веревке в средней точке, с двумя большими грузами рядом. Оставленный свободно вращаться, стержень будет вращаться под гравитационным влиянием больших весов.
Сколько весит Вселенная?
После нескольких месяцев измерений Кавендиш смог определить гравитационные силы, действующие на его крутильные весы, и, сравнив их с земной гравитацией, он смог вычислить, сколько должна весить Земля, и, исходя из известных размеров Земли, среднюю плотность что должно соответствовать этому весу. Он объявил, что Земля в 5,48 раза плотнее (и тяжелее), чем такой же объем воды. Современные ученые уточнили эту цифру до 5,52 раза плотнее воды, а это означает, что Кавендиш ошибся менее чем на 1%. От взвешивания Земли до взвешивания Вселенной — довольно большой шаг, но Кавендиш проделал самую тяжелую работу. Как только вес (или масса) Земли известен, измерения орбитальных расстояний и скоростей обеспечивают основу для расчета массы других небесных тел. Или даже оценивая совокупную массу всех небесных объектов, таким образом отвечая, сколько весит Вселенная. Довольно изящно, да? Но в последние десятилетия это привело к одному результату, который мог бы поразить даже Генри Кавендиша. Когда космологи используют гравитационный метод, чтобы определить, сколько весит Вселенная, ответ выходит намного выше, чем расчетная совокупная масса всего, что мы можем видеть во Вселенной — всех ее галактик, больших и малых, с их звездами, газом и пылью, и разные мелочи. Большая масса — а значит и вес! — во Вселенной оказывается в форме, которую мы вообще не можем увидеть или обнаружить, кроме своей гравитацией. Это таинственная темная материя, о которой вы, вероятно, слышали. Что это такое, пока никто не знает. Вместе сэр Исаак Ньютон и Генри Кавендиш показали, что темная материя должна быть где-то там. Но мы все еще ждем нового экспериментального аппарата — и нового ученого — чтобы показать нам, что это такое.
Популярный
Наука
Рик Робинсон
