Разгадав тайну гравитации, мы сможем ответить на величайшие вопросы науки: что такое пространство? Что такое время? Что такое Вселенная? Откуда все это взялось? Прославленный научно-популярный автор Маркус Чаун приглашает вас в увлекательное путешествие – с того момента, как в 1666 году гравитация была признана физической силой, до открытия гравитационных волн в 2015 году. Близится тектонический сдвиг в наших представлениях о физике, и эта книга рассказывает, какие вопросы ставит перед нами феномен гравитации.
Отрывок. Луна: попытка к бегству
Приливное влияние Луны на Землю замедляет движение нашей планеты, уменьшая ее вращательный момент. Существует фундаментальный принцип физики, называемый сохранением количества движения при вращении, согласно которому вращательный момент изолированной (замкнутой) системы никогда не меняется. Значит, если вращательный момент Земли уменьшается, вращательный момент другого элемента системы должен компенсировать это, увеличившись. В нашем случае вариант только один — Луна.
Притяжение Луны создает два приливных бугра с двух сторон Земли, но тот, который возникает на той же стороне, что и Луна, притягивает ее с наибольшей силой. Как мы уже знаем, этот приливный бугор обычно обгоняет Луну на ее орбите, потому что Земля делает оборот вокруг своей оси быстрее, чем ее обходит Луна. Поэтому гравитация Земли тащит Луну вперед по ее орбите, придавая ей ускорение.
Обратите внимание, что сила притяжения Земли на расстоянии до Луны имеет именно такое значение, какое необходимо, чтобы изогнуть траекторию тела, движущегося с лунной скоростью, и придать ей форму замкнутой орбиты, которую мы и наблюдаем. Соответственно, если Луна будет двигаться слишком быстро, ее скорость превысит необходимую и она вылетит за орбиту. В отношении Земли «за орбиту» означает вверх, а мы знаем, что, если подбросить тело (к примеру, мяч) вверх, гравитация замедлит его полет. Парадоксальным образом Луна, ускоренная приливным взаимодействием с Землей, движется медленнее при удалении от Земли. Из-за этого вращательный момент увеличивается до необходимого значения.
И это не просто теоретические рассуждения. Пилотируемые американские космические корабли «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15», а также беспилотные советские аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» оставили на лунной поверхности рефлекторы. Эти зеркала размером с кулак называют еще угловыми отражателями, и они умеют отражать свет ровно в том направлении, откуда он исходит. То есть можно направить лазерный луч на Луну, чтобы он отразился от углового отражателя, а затем измерить время его возврата на Землю. Зная скорость света, можно легко рассчитать расстояние до Луны.
Эксперименты показывают, что каждый год расстояние, которое проходит отраженный от Луны луч, увеличивается на 3,8 сантиметра. Иными словами, каждые 12 месяцев Луна отдаляется от Земли на расстояние, примерно равное длине большого пальца руки. Если вам 70 лет, за вашу жизнь она прошла путь, равный длине автомобиля.
Наблюдение полных затмений
Тот факт, что каждый год Луна удаляется от Земли на 3,8 сантиметра, означает, что когда-то она была гораздо ближе к нам. А это, в свою очередь, влияло на возникновение полных затмений — одного из самых потрясающих природных явлений.
Как мы уже знаем, полное затмение наступает, когда Луна проходит между Землей и Солнцем, закрывая солнечный диск и отбрасывая тень на Землю. Полное затмение возможно потому, что Солнце, хотя оно и больше Луны в 400 раз, находится от нас в 400 раз дальше. Вот почему Солнце и Луна кажутся нам на небе равными по размеру. Для нас это очень удачное обстоятельство. Несмотря на то что в Солнечной системе существует более 170 лун, ни с одной планеты невозможно наблюдать полное затмение. Более того, нам повезло не только с местом, но и со временем.
Поскольку Луна отдаляется от Земли, в прошлом она казалась больше, а в будущем будет становиться меньше. Судя по всему, первые полные затмения начались около 150 миллионов лет назад, а еще через 150 миллионов лет их не будет вовсе. Наблюдать полные затмения жители Земли могут только в течение небольшого срока ее существования. К примеру, во времена динозавров их еще не было.
Тот факт, что Луна удаляется от Земли, а в прошлом располагалась ближе к ней, прекрасно сочетается с теорией о ее происхождении.
Планета, которая преследовала Землю
Луна слишком велика по отношению к Земле, а ее диаметр равен примерно четверти диаметра нашей планеты. Все прочие луны в Солнечной системе кажутся крошечными рядом со своими планетами. Кроме Плутона, луна которого еще больше по отношению к его размерам, но с 2006 года Плутон перестал считаться планетой.
Такой размер Луны намекает нам, что и происхождение у нее было необычным. Ученые предполагают, что 4,55 миллиарда лет назад, когда наша планета только сформировалась, она столкнулась с небесным телом массой, примерно равной массе Марса (сегодня эту гипотетическую планету называют Тейей). Внутренние слои Земли превратились в жидкость, а часть ее мантии выплеснулась в вакуум. Вокруг нашей планеты образовалось кольцо, похожее на те, которые опоясывают газовые гиганты в Солнечной системе. Из этого кольца быстро сформировалась Луна, орбита которой в то время находилась в десять раз ближе к Земле. После этого Луна начала постепенно отдаляться от нашей планеты.
Подтверждение теории Большого всплеска было найдено в ходе американской космической программы «Аполлон», благодаря которой мы знаем, что состав Луны схож с составом внешней мантии Земли. Кроме того, лунные породы содержат куда меньше воды, чем самые сухие земные скалы. Это подтверждает, что когда-то они подверглись воздействию высоких температур. Вопрос только вот в чем: чтобы тело с массой Марса не разрушило всю нашу планету, а всего лишь создало Луну, оно должно было пройти по касательной к Земле на очень небольшой скорости. Однако все космические тела, движущиеся по орбитам вокруг Солнца (как в пределах земной орбиты, так и вне ее), слишком быстры для этого.
Теория Большого всплеска будет работать только в том случае, если Тейя когда-то находилась на той же орбите, что и Луна. Она могла сформироваться из обломков в стабильной точке Лагранжа, то есть в 60 градусах перед Землей или за ней на орбите вокруг Солнца. Сегодня такие же обломки астероидов движутся по орбите Юпитера в 60 градусах перед ним и за ним, так что Юпитер кажется плывущим в Саргассовом море. Если верить теории Большого всплеска, Тейя миллионы лет преследовала Землю, а затем перешла на другую орбиту, что и вызвало столкновение.
Поскольку сила притяжения тела ослабевает с квадратом расстояния от него, приливные силы, которые объясняются разницей в притяжении, уменьшаются с кубом расстояния. Недавно сформировавшаяся Луна находилась примерно в десять раз ближе к Земле, чем сейчас, а значит, приливная сила, с которой она влияла на Землю, была в 
раз больше, чем сейчас. В то время Земля еще не имела океанов, но если бы они были, воды в них дважды в день поднимались бы не на пару метров, а на километры.
Но не только новорожденная Луна влияла на Землю. Сама Земля тоже воздействовала на нее с приливной силой, увеличенной в 1000 раз. Торможение движения Луны было таким сильным, что, вероятнее всего, она зафиксировалась в нем достаточно рано (примерно в течение десяти миллионов лет после своего формирования). Так как первые микроорганизмы на Земле появились гораздо позже, примерно 3,8–4 миллиарда лет назад, ни одно живое существо не наблюдало обратную сторону Луны, вращающейся в ночном небе.
Луна не всегда двигалась с такой скоростью
Возникает интересный вопрос: всегда ли Луна отдалялась от Земли со скоростью 3,8 сантиметра в год? В 2013 году группа ученых во главе с Мэтью Хубером из Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, Индиана) выяснила, как эта ситуация выглядела 50 миллионов лет назад. Они ввели данные о глубине океанов и очертаниях существовавших в то время континентов в компьютерный симулятор приливов и на основании его показателей сделали вывод, что в то время Луна удалялась от Земли медленнее, скорее всего, в два раза.
Все дело в Атлантическом океане, который сегодня достаточно широк, чтобы сформировать большой приливный горб, влияющий на Луну и заставляющий ее отступать достаточно быстро; 50 миллионов лет назад океан еще не принял свою сегодняшнюю форму, поэтому его приливный горб был меньше, а влияние на движение Луны — слабее. В то время за большую часть приливного воздействия отвечал Тихий океан.
Данный пример — еще одна иллюстрация того, как сложна система приливов и отливов. Их высота и сила, с которой они тормозят движение Земли и ускоряют отступление Луны, зависят от того, насколько легко приливные горбы могут двигаться по океанским просторам. Это, в свою очередь, обусловливается расположением континентов, которое постоянно изменяется из-за континентального дрейфа (тектоники плит, как он официально называется).
Из-за того что предсказать движение плит в долгосрочной перспективе невозможно, мы также не можем знать, когда вращение Земли замедлится настолько, чтобы она оказалась навсегда повернута одной стороной к Луне. Мы знаем лишь одно: для того чтобы Земля начала делать полный оборот вокруг своей оси за 47 дней, а Луна отошла от нее настолько далеко, что ее орбитальный путь тоже занимал бы 47 дней, должно пройти не менее десяти миллиардов лет. Мы уже знаем, что это совершенно гипотетический сценарий, потому что к этому времени Солнце превратится в ужасающий красный гигант, светящий в 10 000 раз ярче, чем сегодня, и уничтожит (или по крайней мере существенно изменит) систему Земля — Луна.
У приливов и отливов есть и еще одно свойство. Каждый день, когда волны накатывают на побережье, а потом возвращаются в море, они подхватывают множество маленьких камешков. Трение между камнями, которые постоянно сталкиваются друг с другом, генерирует тепловую энергию, поглощаемую окружающей средой. Именно такая потеря энергии в конечном итоге приводит к замедлению вращения Земли.
Приливы нагревают Землю незначительно, и если вы отправитесь купаться в море, ни песок, ни камни не обожгут вам ноги. Но в Солнечной системе есть одно место, где приливы генерируют куда больше тепловой энергии. Это Ио, гигантский спутник Юпитера, открытый Галилеем в 1609 году.
Лунная пицца
Восьмое марта 1979 года. Космический зонд НАСА «Вояджер-1» пролетает через систему Юпитера быстрее пули, спеша на встречу с Сатурном в 1980 году. Но перед тем, как зонд навсегда покинет газовый гигант, управляющая команда заставляет его развернуть камеру назад и сделать прощальный снимок Ио. Навигационный инженер Линда Морабито первой видит изображение, преодолевшее расстояние 640 миллионов километров до Центра управления полетами, и у нее перехватывает дух. Из крошечной, видной лишь наполовину луны вырывается столб фосфоресцирующего газа.
Морабито первой за всю историю человечества увидела супервулканы Ио. На следующий день вся команда по управлению «Вояджером» склонилась над увеличенными фотографиями и данными измерения температур. Они обнаружили восемь гигантских столбов газа, выбрасывающих материю вверх на сотни километров. Оказалось, что Ио — самое геологически активное космическое тело в Солнечной системе, на котором располагаются более 400 вулканов. Отверстия, через которые на поверхность Ио выбрасываются оранжевая, желтая и коричневая породы, делая ее похожей на пиццу, напоминают гейзеры в Йеллоустоунском парке. В некотором смысле вулканы Ио — это действительно гейзеры. Лава в них не вырывается на поверхность, но нагревает жидкий диоксид серы, расположенный прямо под корой Ио, и тот превращается в газ. Затем газ выбрасывается вверх точно так же, как пар в земном гейзере.
Каждый год Ио выбрасывает в вакуум около 10 000 миллионов тонн вещества, которое затем опадает на поверхность, покрывая ее серой, как землю вокруг гейзеров в Йеллоустоуне. Вот почему на фотографиях Ио выглядит как гигантская пицца. Яркие цвета — это всего лишь слои серы, имеющие разную температуру.
Ключом к пониманию супервулканов Ио является Юпитер, в 318 раз превышающий по массе Землю. Ио находится от него на том же расстоянии, что Луна от Земли. Но из-за огромной силы притяжения Юпитера Ио обращается вокруг него не за 27 дней, как наша Луна, а всего за 1,7 дня. Гравитация, воздействующая на приливные горбы Ио, уже давно остановила ее вращение, так что теперь луна постоянно повернута к своей планете одной стороной. Только представьте, какой вид откроется перед людьми, если космический корабль когда-нибудь сядет на поверхность Ио: Юпитер и его разноцветные облачные кольца будут занимать четверть неба.
Так как Ио зафиксирована в одном положении, два приливных горба, возникших под влиянием притяжения Юпитера, будут направлены прямо на него и прямо от него. Они не будут двигаться в камне, как земные приливные горбы движутся в океанах. Если бы на Ио происходило что-то подобное, твердые породы постоянно растягивались бы и сжимались, постепенно нагреваясь из-за трения (точно так же нагревается резиновый мяч, который вы сжимаете в руке). Раз этого не происходит, логично предположить, что температура Ио не растет под приливным влиянием Юпитера.
Но это не так.
Ключевую роль в нагревании Ио играют две другие открытые Галилеем луны, которые движутся по более удаленным от планеты орбитам, — Европа и Ганимед. Ганимед представляет собой самую большую луну в Солнечной системе и превышает по размерам Меркурий. За то время, которое требуется Ио, чтобы обойти вокруг Юпитера четыре раза, Европа делает это дважды, а Ганимед — один раз. Из-за этого два спутника периодически оказываются выстроенными в одну линию, что усиливает их воздействие на Ио. Они как будто дергают Ио в сторону, удлиняя ее орбиту. Таким образом Ио постоянно перемещается по направлению то к Юпитеру, то от него. Именно это движение и заставляет Ио разогреваться изнутри.
Да, приливные горбы Ио направлены прямо на Юпитер и от него. Но когда Ио подходит близко к своей планете, приливный горб растет, а когда удаляется — горб уменьшается. Из-за постоянного движения порода то сжимается, то растягивается, и из-за этого процесса Ио разогревается так сильно, что больше всего тепла на один фунт веса в Солнечной системе выделяет именно она, а вовсе не Солнце.
Загадка Плутона и Харона
Пара Юпитер — Ио — не единственная в Солнечной системе, в которой два небесных тела, движущиеся по орбитам вокруг друг друга, оказались зафиксированными в таком положении, что каждому из них видна только одна сторона другого. Существует еще Плутон и его огромная луна Харон.
Самое интересное в Хароне то, что его диаметр равен половине диаметра Плутона. Благодаря этому Плутон некоторое время считался планетой с самой большой луной (относительно его собственных размеров) в Солнечной системе. Но в 2006 году Международный астрономический союз лишил Плутон статуса планеты и перевел в разряд карликовых планет. Теперь он всего лишь один из многих десятков тысяч ледяных обломков, вращающихся вокруг Солнца на границе Солнечной системы.
Пояс Койпера состоит из ледяных обломков, оставшихся после появления планет. Из них планета не получилась, потому что они были слишком разреженными. Пояс Койпера похож на внутренний пояс астероидов Солнечной системы — еще одну свалку планетарного строительного мусора, который не смог сконцентрироваться в одной точке под влиянием силы притяжения Юпитера.
Внутренний край пояса Койпера начинается недалеко от Нептуна (то есть расстояние от него до Солнца примерно в 30 раз больше, чем от Земли), а внешний заканчивается на расстоянии от Солнца в 50 раз большем, чем то, на котором находится Земля. Несмотря на название, первым существование этого пояса предсказал бывший ирландский солдат и астроном-любитель Кеннет Эджворт в 1943 году, так что по справедливости он должен был бы называться поясом Эджворта — Койпера.
Плутон соответствует двум критериям планеты, сформулированным Международным астрономическим союзом в 2006 году: он круглый и движется по орбите вокруг Солнца. Но так как рядом с ним находится множество объектов из пояса Койпера, он не соблюдает третье требование — свободная орбита, на которой нет других небесных тел.
Четырнадцатого июля 2015 года станция НАСА New Horizons пролетела через систему Плутон — Харон, словно скоростной поезд, пройдя всего в 14 000 километров над небесным телом, которое в момент отправки станции еще считалось планетой. Сотрудники Центра управления полетами на Земле были поражены. Они ожидали увидеть мертвый, неподвижный мир, скованный космическим холодом вдали от Солнца. Вместо этого перед ними предстали азотные ледники и горы льда, вершины которых были скрыты в завихрениях тонких облаков. Наиболее удивительным было то, что так называемая область Томбо (розовое пятно на Плутоне, имеющее форму облака и названное в честь первооткрывателя Плутона Клайда Томбо) не имела ни одного кратера, в отличие от остальной поверхности планеты. Это означало, что лед здесь образовался сравнительно недавно.
Откуда же берется энергия для этой необычной активности? Внутренние слои Земли нагреваются за счет радиоактивности урана, тория и калия, но для того, чтобы разогреть Плутон, этого недостаточно. Нагревание под воздействием приливной силы Харона тоже исключается, так как подобный процесс невозможен в системе, где луна движется по кругу вокруг планеты и оба небесных тела всегда повернуты друг к другу одной и той же стороной. Однако это правило работает только в том случае, если Харон оказался на орбите Плутона в момент образования Солнечной системы, примерно тогда же, когда Луна стала спутником Земли. Если же Плутон заполучил свой спутник недавно (в течение последних полумиллиарда лет), то нагрев под воздействием приливных сил имел бы место и продолжался до тех пор, пока Плутон и Харон не оказались бы зафиксированы в текущем положении относительно друг друга. Никто не знает, как все было на самом деле. Этот вопрос остается открытым.
» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
» Оглавление
» Отрывок
Для Хаброжителей скидка 20% по купону — Гравитация
Источник
