© И. Муравинец

Игорь МУРАВИНЕЦ

ФЛОГИСТОН ХХI ВЕКА?

Время. Поистине неисчерпаемая тема для поэтических, философских и научных размышлений. Неисчерпаемая хотя бы потому, что понять природу этого феномена люди по сей день не могут. Попытки предпринимаются с завидным постоянством, однако бои на хронофронте, судя по всему, приняли затяжной оборонительный характер. Да, существуют  определения времени как категории, науке известно, что время может замедлять свой бег, но... Ученым этого мало, и они продолжают искать ответ на мучающий их вопрос.

Да что ученые! Все мы хоть раз в жизни задумывались над тем, как медленно тянутся минуты, когда ждешь чего-либо, и как быстро летят, когда ожидаемое обретено. И вполне естественно, что сегодня в темпорологии так много гипотез, порой, самых необычных. Гипотез, призванных объяснить, помочь понять, постичь. В основе одной из них лежат парадоксы Н.А.Козырева - физические явления, на основании которых был сделан вывод о существовании времени "в чистом виде", а впоследствии развилась целая теория. Дискуссии вокруг нее не утихают до сих пор, и это неудивительно, ведь научная концепция не может базироваться исключительно на опытных данных. Еще Альберт Эйнштейн предупреждал: "Никаким количеством экспериментов доказать теорию нельзя, но достаточно одного, чтобы ее опровергнуть". Спорить с этим утверждением мы, дорогой читатель, конечно же, не будем. Равно как придумывать и ставить опыты с целью опровержения теории, ибо дело это  серьезное, требующее тщательного подхода. Однако можно избрать иной путь и просто проверить на прочность какой-нибудь фрагмент фундамента, кажущегося монолитным.

Давайте вспомним, в чем заключается суть одного из опытов, приведших к обнаружению интересующего нас явления. Обычные рычажные весы крепят на неподвижную платформу, связанную с электрическим вибратором, который может "вибрировать" всю конструкцию. На один конец коромысла подвешивают вращающийся по часовой стрелке гироскоп, на другой - чашку с гирьками. Добиваются равновесия. Затем раскручивают гироскоп в другую сторону, вновь включают вибратор и обнаруживают, что гироскоп стал легче. Это и есть парадокс Козырева. Сам ученый разъяснял его так. Гироскоп на весах с электровибратором - это система с причинно-следственной связью. Во втором случае направление вращения гироскопа противоречит ходу времени. И время оказывает давление на гироскоп, в результате чего он изменяет свой вес. А ход времени определяется линейной скоростью поворота причины относительно следствия, причем величина такой скорости, согласно проведенным расчетам, составляет 700 км/с и имеет знак "плюс" в левой системе координат (в которой ход времени положителен). Впоследствии ученый, развивая свою теорию, выдвинул гипотезу и о так называемых сезонных "уплотнениях времени".

Безусловно, Н.А.Козырев - выдающаяся, неординарная  личность. В частности, ему принадлежит открытие лунного вулканизма, за что в 1970 году Международная астрономическая академия наградила его именной золотой медалью с бриллиантовым изображением созвездия Большой Медведицы. И никто не собирается умалять его заслуг как ученого. Нас всего-навсего интересует гироскоп, который становится то легче, то тяжелее. Нельзя ли попытаться объяснить это явление проще, не создавая новую теорию, ведь, может статься, и парадокса-то никакого нет? Пожалуй, стоит попробовать, предварительно освежив знания, приобретенные в средних классах.

Помню, на одном из уроков физики преподаватель, посетовав на то, что углубленное изучение гироскопов не входит в курс школьной программы, заветной темы все же коснулась. Рассказав вкратце о некоторых свойствах твердого тела вращения, она предложила провести небольшой эксперимент. На столе расстелили салфетку, на ней раскрутили обычный детский волчок (это и есть простейший гироскоп), рядом поставили спичечный коробок, а затем... Как вы думаете, для чего салфетка? Правильно, чтобы дернуть за нее! Мы так и делали. Спичечный коробок падал назад, а вот ось юлы дергалась в сторону. Учительница пыталась нам втолковать, что, если к оси гироскопа приложить силу, на этой же оси возникнет момент сил, вектор которого перпендикулярен вектору приложенной силы. Скажу честно, тогда это было для нас чем-то из разряда козьмапрутковского: "Щелкни кобылу в нос, она махнет хвостом". Ну не понимали мы, почему так. Зато, уверен, все запомнили, что, если вращающийся волчок дернуть за ось к себе, он качнется в бок.

Теперь слегка освежим воспоминания о центробежной силе ("Называйте ее, как хотите, я надеюсь, в этой аудитории нет преподавателей физики для первокурсников, которые захотели бы поправить меня", - Ричард Фейнман, рассуждая о центробежной силе). В школе нам рассказывали, что штангистам легче устанавливать рекорды, если соревнования происходят как можно ближе к экватору. Спортивный снаряд одной и той же массы там весит меньше, чем, скажем, вблизи полярного круга (неважно какого - северного, или южного) по причине максимального воздействия на него вышеупомянутой силы, возникающей из-за вращения нашей планеты вокруг своей оси. Эта сила помогает атлету отрывать штангу от земли. Помощь, конечно, невелика, но она есть.

Видите, уважаемый читатель, сколько полезной информации хранится в нашей памяти! Вооружившись своими же знаниями, приглядимся-ка еще раз к "парадоксальному" гироскопу. Предположим, что он вращается в средних северных широтах. На него, как и на любое другое тело, действует центробежная сила, направленная параллельно плоскости экватора в сторону от оси нашей планеты. Графически можно представить ее как сумму вертикальной (вдоль оси гироскопа) и горизонтальной (в направлении экватора) составляющих.

Теперь посмотрим на происходящее с точки, расположенной над Северным полюсом. Мы заметим, что гироскоп совершает вместе с Землей суточное движение. Ему бы двигаться равномерно и прямолинейно, но он связан с поверхностью планеты через точку опоры. Именно в этой точке на его ось воздействует сила, в каждый момент времени направленная по касательной к широте-окружности и изменяющая ориентацию вращающегося тела в мировом пространстве. Как реакция на нее в гироскопе возникает момент сил, который действует как пара: одна сила приложена к точке опоры, а другая стремится наклонить гироскоп в меридиональной плоскости или в сторону экватора, или в сторону полюса (в зависимости от направления вращения), складываясь с горизонтальной составляющей центробежной силы, либо вычитаясь из нее. Просуммировав все силы, приложенные к гироскопу и возникающие в нем, не забыв, конечно, о силе тяжести, мы убедимся, что и направления результирующих, и их величины во всех трех случаях (для неподвижного, вращающегося вправо, или влево гироскопа) в общем случае будут различны.

Эти нехитрые рассуждения приведены, конечно же, не для того, чтобы с ходу объяснить интересующий нас парадокс, а для того, чтобы показать, насколько осторожно надо относиться к экспериментам с раскрученным гироскопом, одним из основных свойств которого является сохранение ориентации в мировом пространстве. Ведь абсолютно неподвижной платформы для проведения каких-либо опытов с вышеупомянутым телом вращения на планете в принципе не существует, и об этом забывать нельзя.

В исследованиях Н.А.Козырева использовался не примитивный детский волчок с одной точкой опоры, а авиационный гироскоп: обойма с закрепленным на подшипниках внутри нее ротором. Эта система, будучи подвешенной к коромыслу весов, под действием внешних, постоянно изменяющих ориентацию вращающегося гироскопа в мировом пространстве, и, как следствие, внутренних ("щелкающих кобылу в нос") сил будет вести себя таким образом, что нить подвеса и ось гироскопа отклонятся от вертикали в противоположные стороны. При этом вес исследуемой системы должен слегка изменяться в зависимости от того, в какую сторону вращается гироскоп. Но изменение невелико и в общем случае зависит от соотношения высоты обоймы и длины нити подвеса - чем оно меньше, тем меньше разница в весе. Если же, напротив, данное соотношение устремить к бесконечности (в предельном случае - вообще убрать нить, подвесив обойму непосредственно к коромыслу), эффект будет максимальным, потому что сила, возникающая в верхней опоре ротора, будет приложена к практически неупругому элементу конструкции весов. А сила, возникающая в нижней опоре и отклоняющая систему в сторону, просуммируется с горизонтальной составляющей центробежной силы, или вычтется из нее. Весь фокус в наличии гибкого подвеса, создающего дополнительную степень свободы, максимально ограничить которую и тем самым сделать эффект более явным и призван вращающийся эксцентрик. Итак, включим вибратор. Подождем, пока процесс установится, и попробуем разобраться в происходящем.

Начнем с того, что показывают весы, и что весом в интересующем нас "вибрирующем" случае вовсе не является. Ведь вес - это численное значение силы, измерением которой занимается статика. А когда исследуемая система покрывается мелкой дрожью при одном лишь звуке работающего вибратора, о таких словах, как "статика", "вес", "сила" следовало бы вообще забыть, тут динамика вырисовывается. Однако, чтобы не углубляться в энергетические дебри разворачивающегося во времени процесса, можно сказать так: стрелка используемого измерительного прибора показывает среднее (за период обращения кулачка вибратора) значение силы, с которой коромысло воздействует на обойму с ротором через нить подвеса.

В реальном времени эта сила изменяется периодически и максимальна тогда, когда нить натянута, то есть, когда кулачок вибратора толкает весы вверх. Причем, она не просто максимальна - она численно превышает истинное значение веса исследуемой системы. И эта же сила равна нулю, когда эксцентрик резко прекратил подъем платформы, а гироскоп с обоймой, вначале по инерции двигаясь вверх (замедляясь), а затем вниз (ускоряясь), находится "в свободном полете". Просто механические весы из-за инерционности конструкции не успевают отработать ни по максимуму, ни по минимуму, вот стрелка и колеблется вокруг средней величины. Но самое главное, пока вышеупомянутая сила равна нулю и исследуемая система не взаимодействует с весами, гироскоп сохраняет ту ориентацию в пространстве, которая была ему придана за время, в течение которого нить была натянута.

К началу следующего "взвешивания", а точнее - натяжения нити Земля успеет несколько повернуться вокруг своей оси, естественно, увлекая за собой и весы. Значит, сила, прилагаемая через нить подвеса к системе, также изменит свой вектор и будет стремиться переориентировать обойму с вращающимся внутри нее ротором, суммируясь с силой, которая возникает в верхней опоре гироскопа. Их результирующая будет слегка изменять свой вектор в процессе переориентирования обоймы с ротором. Но не это важно, важно другое: поскольку сила, прилагаемая к исследуемой системе на протяжении активной части периода (когда нить натянута), превышает ее вес, вектор результирующей будет более приближен к вертикали, чем в том случае, если бы вибратор был выключен.

Образно говоря, своими рывками вибратор постоянно "одергивает" гироскоп с обоймой, создавая новую систему - ротор, обойма, нить подвеса (путем изменения свойств гибкого подвеса) - и тем самым перенося силу, возникающую в верхней опоре ротора, к коромыслу. Силе же, возникающей в нижней опоре ротора, не остается ничего другого, кроме как, отклоняя всю вновь созданную систему в сторону, суммироваться с горизонтальной составляющей центробежной силы, либо вычитаться из нее - в зависимости от направления вращения гироскопа. Весы, конечно же, отреагируют на это изменением своих показаний.

Нетрудно сообразить, что для достижения максимального эффекта каждое последующее "взвешивание" необходимо начинать тогда, когда подброшенная вверх вращающимся кулачком система, сперва поднявшись на максимальную высоту, а затем опустившись с нее (не быстрее, чем за время, определяемое ускорением свободного падения), вновь приблизится к нижней точке и слегка натянет нить подвеса. Именно в этот момент эксцентрик должен начать очередной подъем платформы - не раньше, и не позже. Налицо интересная взаимосвязь: высота, на которую поднимется исследуемая система, зависит от геометрии кулачка и скорости его набегания, читай, от частоты вращения, а  частота вращения, в свою очередь, должна быть такой, чтобы обойма с ротором успевала вернуться в нижнюю точку под влиянием силы тяготения.

Установив теоретически или экспериментально оптимальную частоту вращения эксцентрика, можно, увеличив ее, скажем, в два раза, также наблюдать аналогичный эффект. Просто результативными окажутся каждый третий, пятый, седьмой (и т. д.) рывки вибратора, следующие все с той же исходной частотой. Остальные подъемы платформы будут произведены в холостую - тогда, когда нить подвеса не натянута. Есть, правда, один нюанс: при использовании механического вибратора с увеличением частоты вращения кулачка увеличится и скорость его набегания. Следовательно, возрастет сила, прилагаемая к системе, и, естественно, высота ее подъема. Поэтому для большей чистоты эксперимента лучше использовать электромагнитный вибратор, у которого сила каждого единичного воздействия на исследуемую систему не зависит от частоты.

Принципиально ничего не изменится и в том случае, если частоту вибрации увеличить по отношению к основной в три, в четыре, в пять... - в любое целое число раз. А вот если увеличенная частота будет не кратна исходной, эффект пропадет, потому что из-за биения частот (скажем так: собственной частоты колебаний системы, определяемой, среди прочего, временем возврата обоймы с ротором в нижнюю точку под влиянием силы тяготения, и произвольно установленной частоты вибрации) гораздо меньшее количество рывков будет произведено в нужные моменты времени, и потому желаемого влияния на систему вибратор не окажет. Но, вообще говоря, если вместо нити использовать стержень, жестко прикрепленный к обойме, то, подвешенная к коромыслу, такая система должна изменять показания весов в зависимости от направления вращения гироскопа и без вибратора. Ведь, если разобраться, вся эта затея с эксцентриком как раз и преследует цель максимально приблизить свойства гибкой нити к свойствам жесткого подвеса.

Из вышесказанного однако не следует, что минимальная разница между "правовращательным" и "левовращательным" весом гироскопа будет наблюдаться на экваторе или на полюсе. Во-первых, Земля вращается вокруг Солнца, и на гироскоп постоянно воздействует, кроме вышеупомянутой земной, центробежная сила, вызванная движением планеты по орбите. Как результат - еще одна реакция на оси гироскопа. И поскольку орбитальная центробежная сила меньше планетарной (на широте Пулково, где Н.А.Козырев провел свои первые эксперименты) всего в три раза, чувствительная измерительная аппаратура зарегистрирует ее влияние. А во-вторых, земная ось не перпендикулярна плоскости эклиптики, а наклонена под углом 23 градуса. И можно лишь догадываться, какие "эпициклоидальные" кренделя в мировом пространстве выписывает гироскоп, вращающийся на лабораторном столе, и сколько разнообразных сил воздействуют на него.

В конце-концов, земная орбита не круговая, а эллиптическая. И когда наша планета пойдет по участку с меньшим радиусом, разница в весе гироскопа возрастет из-за увеличения орбитальной центробежной силы. Чем не объяснение сезонного "уплотнения времени"?

Время. Можно ли вообще говорить, что оно существует в чистом виде? Если да, то, вполне вероятно, мы живем в эпоху очередного флогистона, когда либо суть неясна, либо природа непонятна.

А может, все-таки прав был отец теории относительности, на вопрос о том, что такое время, тут же ответивший: "... это то, что показывают часы". Знаете, что убеждает в его правоте? Не то, что он - Эйнштейн, а то, что он, Эйнштейн, произнес эти слова не задумываясь, на уровне интуиции, которая нередко помогала гениальным людям в поисках истины.