Существует ли пятая сила?

Пятая сила

Физикам известны четыре фундаментальных силы - гравитационная, электромагнитная, сильная ядерная и слабая ядерная. Однако не следует забывать и о еще одной силе - приливной. Разумеется, это не самостоятельная физическая сила, а лишь характерное проявление каждой из упомянутых четырех в тех случаях, когда нельзя пренебрегать конечным размером объектов взаимодействия. Правильнее было бы называть это явление не "приливной силой", а "приливным эффектом"; однако наблюдаемые в природе приливные явления порой столь неожиданны и важны, при этом они столь часто остаются забытыми или непонятыми, что физики с полным правом называют приливное взаимодействие "пятой силой", а математики развивают специальные методы для исследования приливных эффектов.

В принципе можно было бы сформулировать все законы и правила физики, не упоминая о различных нефундаментальных силах. Например, говоря о молекулярных взаимодействиях, можно пользоваться только понятием об электромагнитной силе, но это значительно усложнит расчеты. Введение полуэмпирическим путем ван-дер-ваальсовой силы, которая на некотором интервале расстояний между атомами или молекулами весьма точно описывает закон электромагнитного взаимодействия между ними, позволяет существенно упростить расчеты, проводить "в уме" качественные рассуждения, проще и быстрее получать необходимые результаты.

То же самое можно сказать и о силах инерции, например, о кориолисовой силе. Вспоминая о том, в каком полушарии Земли какой берег подмывает река (закон Бэра) или в какую сторону закручивается атмосферный циклон, проще воспользоваться правилом для кориолисовой силы, чем рассуждать о том, как взаимодействует движущаяся вода или атмосферный воздух с вращающейся Землей.

Чтобы ощутить всю важность приливных эффектов, проведем такой, разумеется, мысленный, эксперимент: предположим, вы с приятелем поднимаетесь в плотно закрытом лифте, вдруг канат обрывается и кабина начинает свободно падать. Пусть сопротивление воздуха и прочие помехи свободному падению отсутствуют. Ваш приятель, плавая по кабине в состоянии невесомости, высказывает гипотезу, что лифт неожиданно оказался в космическом пространстве, вдали от планет, звезд и прочих источников тяготения. Сможете ли вы экспериментально доказать ему, что в действительности лифт свободно падает вблизи поверхности Земли? Казалось бы, доказать это невозможно: согласно принципу эквивалентности, на котором держится теория гравитации Эйнштейна, наличие поля тяготения равносильно ускоренному движению системы отсчета, а свободное падение в гравитационном поле "нейтрализует" действие этого поля.

Действительно, этот принцип справедлив, то есть экспериментально проверен с высочайшей точностью, но лишь в малой окрестности изучаемой точки, либо в сопутствующей (деформирующейся) системе координат. Если же система координат жестко связана, например, со стенками кабины лифта, то вы без труда докажете приятелю, что лифт свободно падает вблизи тяготеющей массы. Для этого достаточно продемонстрировать, что две пробные массы, размещенные в покое у противоположных стенок кабины, начинают ускоренно сближаться. Подозрение в том, что они сближаются под действием собственного тяготения, легко может быть опровергнуто тем, что помещенные у пола и потолка кабины, эти же массы начинают удаляться друг от друга.

Как видим, попытка скрыть присутствие гравитационного поля не удалась: наличие поля выдал приливный компонент его силы. После этого опыта трудно утверждать, что приливной силы не существует.

Итак, приливные силы выходят на сцену в тех случаях, когда распределение ускорений, обусловленное распределением сил какого-либо взаимодействия, неоднородно в пространстве. Если в этой области пространства находится объект конечного размера, то разные его точки будут испытывать разное ускорение, что приведет к деформации объекта: в твердом теле при этом возникнут внутренние напряжения, а у жидкого или газообразного тела одни его части начнут перемещаться относительно других. Именно это и происходит, когда морская вода опускается и поднимается у побережья вследствие движения Земли в неоднородных гравитационных полях Луны и Солнца. Как наиболее древний из знакомых людям эффектов подобного рода, морские приливы дали свое название всему классу приливных явлений.

Владимир Георгиевич Сурдин, 2002 год