Удивительная физика (Н. В. Гулиа)

В увлекательной форме изложены оставшиеся за рамками школьных учебников сведения по основным разделам физики, описаны драматические истории великих научных открытий, приведены нестандартные подходы к пониманию физических явлений, нетрадиционные взгляды на научное наследие известных ученых. Для учителей, старшеклассников, студентов, а также для всех, кто желает открыть для себя незнакомую, полную тайн и парадоксов физику.

Оглавление

Из серии: О чем умолчали учебники

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Удивительная физика (Н. В. Гулиа) предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других

ВОЗНИКШИЙ ИЗ НИЧЕГО

Было ли Сотворение мира?

Действительно, было ли оно? Или Мир существовал вечно, и еще столько же будет существовать? Как говорится, «жил, жив и будет жить во веки веков»!

Заглянем, что же по этому поводу сказано в Книге книг – Библии, которую, как говорят, надиктовал сам Господь Бог. И на первой же странице, где речь идет как раз о Сотворении мира, мы находим такие слова: «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош…»

Выходит, весь Мир – все, что вокруг нас, возникло… из света? Полноте, да это же сказки, вымысел, миф, наконец! Как можно этому верить – возмущались ученые-материалисты недалекого прошлого. Что, и мы с вами – тоже из света? Почему же мы тогда не светимся в темноте? Нет, наш Мир, Вселенная бесконечны как в пространстве, так и во времени, они никогда не возникали и никогда не исчезнут…

А вот картина Сотворения мира по самым современным научным данным, признанная подавляющим большинством ученых. Картина эта больше похожа на самую фантастическую из волшебных сказок, чем на реальность. Вот как она выглядит.

Вначале не было ничего – не только никаких предметов вокруг, но не было ни длины, ни ширины, ни высоты. Даже времени не было – оно еще не началось, его просто не существовало. Это трудно себе вообразить, но правильно говорят, что жизнь богаче всяческих сказок.

И вдруг в один поистине прекрасный момент раздался взрыв. По грандиозности с этим событием, названным Большим взрывом, сравнить ничего нельзя. Никакая фантазия, никакое воображение человека не в состоянии этого представить. Еще можно представить себе взрыв термоядерной бомбы, хотя и это трудно поддается воображению. Намного труднее почувствовать себя свидетелем гигантских взрывов на Солнце, тем более взрыва сверхновой звезды, которая испепеляет громадные пространства вокруг себя, нередко превышающие по размеру всю Солнечную систему. Но совершенно не поддается воображению взрыв, охарактеризованный скромным эпитетом «Большой», в результате которого образовались и миллиарды галактик, и миллиарды звезд, их составляющих, не говоря уже о микроскопических «пылинках» – планетах, на которых мы ведем нашу суетную жизнь с ее радостями и огорчениями…

Произошло это между 6 и 15 миллиардами лет тому назад, причем по самым новейшим данным, скорее всего, 13 миллиардов лет тому назад. Вот и считай после этого 13 «чертовой дюжиной»! Хотя о какой точности здесь можно говорить, когда понятие «год» тогда было лишено всяческого смысла – не существовало ни Солнца, ни Земли, которая именно за год должна была облетать вокруг него! Да и другие «мерила» времени появились лишь позже, и то были они совсем иными. Сутки, например, даже 3 миллиарда лет назад длились около девяти современных часов, так как Земля вращалась тогда быстрее! В общем, полное безобразие царило тогда в области измерения времени!

Но и в этих нелегких условиях ученые очень точно воссоздали всю картину возникновения и эволюции Вселенной, начиная примерно от одной сотой современной секунды после так называемого математического начала Мира.

Остается только рассказать, как ученые догадались, что Вселенная «взорвалась» из ничего, когда это произошло и как. Дело в том, что, рассматривая далекие небесные тела в телескоп, ученые обнаружили, что Вселенная… постоянно расширяется. То есть галактики как бы разбегаются друг от друга. Это можно легко представить себе, если нанести на воздушный шарик точки, изображающие собой галактики, и начать раздувать этот шарик. Точки-галактики начнут удаляться друг от друга, совсем как в модели расширяющейся Вселенной. А если это так, то, стало быть, они когда-то были все вместе, в одной точке. Проколите или сдуйте шарик – и все галактики сойдутся! А по скоростям их разлета ученые определили, когда начался этот разлет, то есть Большой взрыв. Так Мир и разлетается в разные стороны уже столько миллиардов лет…

Кто же конкретно додумался до такой фантастической картины Сотворения мира, или, если хотите, подтвердил научно то, что давно уже сказано в Библии? В первую очередь это американский астроном Эдвин Хаббл (1889—1953), который своими наблюдениями установил, что галактики, или звездные скопления, удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше они от нас находятся. Так возникла гипотеза «расширяющейся Вселенной», которая когда-то разлетелась из одной точки. В 1927 г. астроном Жорж Леметр (1894—1966) теоретически обосновал гипотезу Большого взрыва, а в 1970 г. физики Р. Пенроуз и С. Хоукинс уточнили эту теорию. Свой вклад в теорию образования Вселенной внес и наш соотечественник А. А. Фридман (1888—1925).

Остается уточнить: что, так и будем мы «разлетаться» во все стороны постоянно, или это когда-нибудь закончится? Сперва ученые подсчитали, что если исходить из существующих значений средней плотности Вселенной, то галактики будут разлетаться все время. Согласитесь, ситуация получается довольно нелепая: стоило ли создавать Мир, чтобы он окончательно разлетелся? Но затем ученые пересчитали эту среднюю плотность Вселенной с учетом вновь открытых частиц, и она якобы оказалась значительно большей. Поэтому, по всей вероятности, через миллиарды лет этот разлет прекратится и Вселенная начнет сжиматься, стремясь опять в точку. Такая критическая плотность Вселенной эквивалентна 11 атомам водорода на 1 см3 пространства.

Пройдут эти миллиарды лет, и нашего Мира не станет, он снова превратится в ничто, закончится при этом и время! И произойдет ли новый Большой взрыв, образующий новый Мир, или не будет его – никто из нас не знает. Но если есть Высший Разум, в существование которого верит большинство ведущих физиков мира, то Он уж знает, скомандовать ли ему «Пли!» и вызвать новый Большой взрыв или не делать этого. Может быть, это зависит и от того, как мы с вами живем на нашей Земле и нравится ли наше поведение Тому, Кто может скомандовать «Пли!». Или возмущенный нашими делами, Он решит, что таких опытов лучше не повторять.

Одно ясно – все это произойдет очень и очень не скоро!

Из чего все?

Итак, на самом первом этапе становления Мира весь он существовал, как на это указывалось в Библии, в виде света, одного только света, грандиозной вспышки света, в которой уже заключался весь Мир! Если вспомнить, что только 1 кг массы материи, если его превратить в свет, может испепелить крупный город, то какова же была мощность Большого взрыва, в котором вся масса Вселенной – 1053 кг (число с 53 нулями) существовала в виде света! Действительно, «хорош был этот свет», как отмечалось в Библии! Да и температура при взрыве (1028 °C) была приличной! Заметим, что для таких высоких температур безразлично в каких градусах – Цельсия или Кельвина ее измерять; для простоты будем писать °С.

Дальше было все проще – исходный материал для Вселенной, а именно свет, уже был. Нескольких минут после Большого взрыва хватило, чтобы возникли первые простейшие атомные ядра: водорода, его изотопа – дейтерия и гелия. Неимоверно горячи были эти частички – порядка 107 °C. Разлетаясь, они постепенно остывали.

Прошло всего около полутора миллионов лет с момента Большого взрыва, а Мир «остыл» уже до 4 000 °C. Это даже меньше, чем на поверхности Солнца. Такую температуру можно получить и на Земле, например при сварке. При такой температуре уже начали возникать многие газы, например водород и гелий. Это те самые, которыми надувают воздушные шарики. Но вещества, которые мы видим вокруг, могли существовать при такой жаре только в виде газов.

Напоминаю, что весь мир был тогда моложе современного в десять тысяч раз и размером меньше, чем сейчас, в полторы тысячи раз.

Разлетаясь все дальше и дальше, остывая по дороге, частички вещества сталкивались друг с другом, соединялись во все большие и большие комки. Ничего себе были эти комочки – из них образовались потом целые скопления звезд, или галактики! На это ушло много времени, больше миллиарда лет, но все равно мир был еще в десять раз моложе сегодняшнего. А по размерам – всего в четыре-пять раз меньше, чем сейчас.

Вот тут-то и начали образовываться звезды и планеты. Надо сказать, что мир к этому времени сильно поостыл, даже «заморозился». Такие морозы можно получить разве только в самых больших холодильниках. Но «слепляясь» в большие комки (рис. 1), вещество Мира сжималось и опять сильно разогревалось. Комки превращались в раскаленные сияющие звезды. Это были, правда, еще не те звезды, которые на небе сейчас. Их называют «протозвездами» или «предзвез-дами», так как из них образовались уже «наши» обычные звезды.


Рис. 1. Образование сгустков межзвездной среды в гравитационном поле

Некоторым вращающимся протозвездам «удавалось» отбросить от себя часть своего вещества. Так от вращающегося колеса автомобиля отлетают комочки грязи. Вот из этого отлетевшего от протозвезды вещества и образовались планеты (рис. 2). Наша Земля тоже так возникла – оторвалась вместе с другими планетами от Солнца. Вернее, от той протозвезды, чем было раньше Солнце. Повезло от этого «отрыва» всем: и планетам – иначе бы их просто не было, и Солнцу. Оно получило возможность существовать и сиять нам на радость. Иначе судьба Солнца была бы незавидной – и вот почему.

Рис. 2. Образование Солнечной системы по гипотезе Канта – Лапласа

Есть звезды и тяжелее, и легче Солнца. «Легкие» звезды, которые в десять раз легче Солнца, просто неинтересны – они не «горят», а как бы «тлеют», возле них просто замерзнешь. Хорошо, что наше Солнце не такое! Наше Солнце исправно погреет нас еще несколько миллиардов лет, пока все не «выгорит». Тогда оно сожмется до размеров нашей Земли и, как говорят, превратится в «белого карлика». Будет это не скоро, до этого времени еще придумаем, чем будем греться без нашего Солнца.

Но нам просто ужасно повезло, что Солнце – не «тяжелая» звезда. Такие звезды до 100 раз тяжелее Солнца (рис. 3), не горят, а просто взрываются, совсем как гигантская водородная бомба. Они «прогорают» в тысячи раз быстрее Солнца, испепеляя все, что находится вокруг. Но когда такая звезда все-таки «прогорит», то превращается она просто в какое-то космическое чудовище. Такое и в кошмарном сне не увидишь. Так что приготовьтесь к страшному рассказу и не читайте его, пожалуйста, на ночь.


Рис. 3. Сравнительные размеры звезды-гиганта Бетельгейзе и Солнечной системы

Звезды ненамного тяжелее Солнца, прогорая, сжимаются до совершенно «микроскопических» размеров. Например, до размеров крупного города – Москвы. Громадная гора, целый Эверест, на той звезде уместится в спичечном коробке. Называются такие «сжатые» звезды нейтронными. Несмотря на малые размеры, нейтронные звезды – настоящие «хищники». Попадись рядом обычная звезда – и нейтронная своим страшным притяжением начинает ее «заглатывать». Сперва обычная звезда принимает грушевидную форму и носик ее устремляется к нейтронной звезде. Эта звезда начинает как бы наматываться на нейтронную, затягиваясь в тугой узел. Дело, как правило, кончается тем, что нейтронная звезда «давится» обычной, во много раз превышающей ее по размерам, совсем как удав, пытающийся проглотить слона. Так и остаются вместе хищник и его полусъеденная жертва, образуя так называемую двойную звезду (рис. 4).


Рис. 4. Кошмарная схватка нейтронной звезды с обычной, кончившаяся «ничьей»

А наиболее тяжелые звезды, сгорая, иногда превращаются в самые таинственные тела Вселенной – черные дыры. Звезда сжимается почти в точку, но притяжение ее настолько огромно, что свою «жертву» черная дыра уже не упустит и не подавится ею, как нейтронная. Любая звезда, другое космическое тело, которое «осмелится» приблизиться к черной дыре, будет поглощено ею. Как говорится, только его и видели. Хотя и видеть-то уже ничего нельзя будет – на то дыра и черная, что туда все «проваливается» бесследно. Даже луч света и тот затягивается в черную дыру, пропадая там. «Поедает» она даже магнитное поле, что сопровождается вспышками излучения, в частности рентгеновского. Ничего не выпустит от себя это космическое чудовище, если приблизиться к нему на близкое расстояние. Так и существует невидимый зловещий круг, обычно несколько километров радиусом (так называемым гравитационным), а в центре его, как паук, сидит всепоглощающая космическая «хищница» (рис. 5).


Рис. 5. «Черная дыра» в паутине магнитного поля

Видимо, кто-то очень добрый и мудрый постоянно заботится о нас с вами – и Землю подобрал с подходящим климатом, и Солнце не большое и не малое, а как раз такое, какое нужно!

Земля – избранница природы?

Прежде чем перейти к планете – избраннице природы, поговорим о Солнце и о планетах – сестрах нашей Земли.

Оказывается, огромное Солнце среди звезд считается карликом; оно возникло около 5 миллиардов лет назад. Астрономы обозначают Солнце знаком. Эта звезда-«карлик» в сто с лишним раз больше Земли по диаметру и почти в треть миллиона раз тяжелее. Вот тебе и «карлик»! И это огромное, тяжеленное небесное тело почти целиком состоит из самого легкого газа – водорода, того, которым надувают воздушные шары. Правда, есть там еще один легкий газ – гелий, но его почти в десять раз меньше, чем водорода. Казалось бы, Солнце как большой воздушный шар нужно за веревку держать, чтобы не улетело, а оно такое тяжеленное! Но самое удивительное в том, что в центре Солнца, где температура около 1,6 ⋅107 °C и огромное давление, водород особым образом превращается в гелий и выделяет при этом громадную энергию. Совсем как в водородной бомбе, но бомба эта огромных размеров и взрывается не сразу, а постепенно! Термоядерная энергия постоянно разогревает Солнце, так что поверхность его, которую мы видим, раскалена до 6 000 °C, вот и греемся мы, выходит, на энергии большой термоядерной бомбы, и вроде все в порядке! Солнечная атмосфера – корона (рис. 6) – имеет значительно большую температуру, и об этом мы поговорим позже. Теперь о планетах. Самая близкая к Солнцу планета – Меркурий. Меркурий в 2,5 раза меньше Земли, год на нем длится всего 88 дней, а период собственного вращения – 58,6 наших земных суток. Из-за близости этих значений друг к другу «день» на Меркурии длится достаточно долго – около меркурианского года, и сторона, обращенная к Солнцу, сильно нагревается; противоположная же сторона – охлаждается. Можно предположить, что через некоторое время из-за торможения вращения планеты Меркурий будет постоянно обращен к Солнцу одной стороной, как, например, Луна к Земле. Еще недавно астрономы считали, что так оно и есть уже. По внешнему виду Меркурий похож на Луну (рис. 7).


Рис. 6. Солнечная атмосфера – корона, видная во время затмений
Рис. 7. Пейзаж планеты Меркурий

Следующей идет Венера – ее знак (рис. 8). По размерам она похожа на Землю, год там длится 224 дня. Но жить там тоже нельзя, жара – как в печи, а давление – как на дне моря. Атмосфера тоже не для нас – почти целиком из углекислого газа, которым дышать не стоит.


Рис. 8. Венера: а – в фазе серпа; б – приближенная карта ее полушарий

А вот третья планета – наша родная Земля, избранница природы. О ней мы поговорим попозже.

За Землей идет загадочная красная планета Марс, ее значок. Марс почти вдвое меньше Земли, год там длится 678 суток, поверхность его похожа на лунную – те же «моря» и кратеры. Есть атмосфера, но разреженная, как у нас на высоте 20 км, и для дыхания непригодна, даже ядовита. Раньше подозревали, что на Марсе есть жизнь и разумные существа, но это пока не подтвердилось, по крайней мере, существа у нас на Земле разумнее. Хотя в телескоп заметны какие-то каналы (рис. 9), но их техногенное происхождение тоже пока не подтверждено. В самом жарком месте на Марсе – плюс 10…20 °C, в холодном – минус 70 °C, наблюдается выпадение и таяние снегов на полюсах. Конечно, с грехом пополам там прожить можно, но пока лучше не надо…


Рис. 9. Марс и более подробная карта части его поверхности

Далее за Марсом идут планеты-гиганты: Юпитер (рис. 10) – самая большая из планет; Сатурн (рис. 11) – таинственная планета с кольцами вокруг себя; Уран – отличающаяся от других планет тем, что вращается в противоположную им сторону, и Нептун – планета, названная почему-то в честь бога морей, даже трезубец тот же. Все планеты-гиганты состоят почти целиком из горючих газов, в частности метана, что горит у нас на кухне в газовой плите, а также аммиака. Однако эти газы там в замороженном виде – на планетах-гигантах так холодно, что горючие газы просто замерзли, как у нас на Земле замерзает вода. Для жизни там условия, мягко выражаясь, не из лучших – холодно, до 200 градусов мороза, дышать нечем, да и гравитация огромная – раздавит в блин!


Рис. 10. Юпитер со своими крупными спутниками

И наконец, последняя планета по удаленности от Солнца – Плутон. Открыта она совсем недавно – в 1930 г. Эта планета так далеко от нас, что даже из чего она состоит, неизвестно. Сейчас сомневаются, планета ли она вообще. Знаем только, что она почти вдвое меньше Земли и вращается вокруг Солнца очень медленно – один оборот за 250 лет. То есть год там длится четверть тысячи наших земных лет!


Рис. 11. Сатурн со своим знаменитым кольцом в различных положениях

Но вернемся опять к Земле. Вот, действительно, планета, созданная для комфортной жизни. Температура – нормальная, где-то, правда, придется приодеться, а где-то – искать тени. Но это не Меркурий и не Плутон! Атмосфера – лучше не бывает! Будь больше кислорода – мы бы сгорели, меньше – задохнулись. Азот, из которого она состоит на 80 %, нейтрален, дышать не мешает, это вам не аммиак какой-нибудь! Воды – сколько угодно! Если не на самой поверхности в виде реки, озера или моря, то на глубине ее в любом месте полно, только пробурить надо. Почвы – плодородные, не то что на Луне! Даже пустыня Каракумы весной цветет необычайно пышно, а что говорить о курско-воронежских черноземах! Не будь только лентяем, пессимистом, нытиком – живи и радуйся, что родился не на Меркурии или Плутоне!

Но не все так радужно даже на Земле. И беглый взгляд на ее строение говорит о зыбкости и хрупкости всей нашей жизни здесь. Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, и поначалу она представляла собой огромный клубок пыли и газов. Потом все это сжалось, разогрелось от этого и расплавилось, после чего поверхность поостыла (чего нельзя сказать о внутренности!). Из мощных облаков хлынули проливные дожди и затопили поверхность Земли, создав первые моря, конечно, совсем не те, что мы имеем сейчас. Кстати, первые моря были пресными, так как произошли они из дождевой воды; это уже позже реки, постепенно размывая соли Земли, сделали их солеными.

Вот тут-то и начала активизироваться на Земле жизнь, запрограммированная, несомненно, еще во время Большого взрыва. Плавали, перемещались по поверхности Земли материки, расходясь от единого праматерика – Гондваны, извергались вулканы, падали, протыкая кору Земли, огромные метеориты, вызывая глобальные похолодания, нарождались и вымирали динозавры, но жизнь цепко держалась за свою Землю, можно сказать, «обетованную». Даже при всех катаклизмах слишком уж хороши были на ней условия для развития и продолжения жизни! И вот наконец, кажется, уже все на Земле нормализовалось, пришло в совершенный вид – живи спокойно и радуйся!


Рис. 12. Строение Земли:

1 – атмосфера (свыше 1 000 км); 2 – стратосфера (11—80 км); 3 – тропосфера (до 11 км); 4 – гидросфера (свыше 10 км); 5 – гранитный слой (до 10—15 км); 6 – базальтовый слой (до 50—60 км); 7 – подкорковая часть внутренней оболочки Земли; 8 – внутренняя оболочка Земли; 9 – ядро Земли


Но немного подпортим эту идиллическую картину только для того, чтобы показать, насколько бережно нужно сохранять эту стабильность на Земле. Земной шар (рис.12) состоит из коры, толщиной в среднем около 35 км, а под ней около 12 тыс. км сплошного раскаленного, расплавленного кошмара – мантии, ядра внешнего и внутреннего. Да это же 0,3 % диаметра Земли! Даже яйцо имеет скорлупу относительно в несколько раз более толстую. И мы дырявим эту скорлупу где надо и где не надо, выбираем из этой коры все, что нам сегодня полезно. Сжигаем топливо, затрачивая кислород и загрязняя дымом и гарью все вокруг, в том числе и воздух, которым мы дышим. Продукты горения (и в первую очередь водяные пары) создают парниковый эффект, прогрессивно повышая температуру биосферы. Начинают таять ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, вызывая наводнения и потопы. Еще несколько градусов потепления – и может наступить нарушение стабильности термодинамического состояния атмосферы, и нежданно-негаданно мы окажемся как бы на Венере – сотни градусов тепла и десятки атмосфер давления! Если, конечно, не успеем до этого заразить все радиоактивностью или химическим мусором. Что, страшно? Недаром кое-кто подумывает о проектах перелета на другие планеты для ПМЖ – постоянного места жительства. Как кочевники – загадили эту территорию, превратили ее в пустыню и пошли гадить другую.

Теперь поговорим о более нейтральном. Сама Земля имеет диаметр около 12,5 тыс. км. С полюсов она немного сплюснута, а на экваторе – растянута, что является следствием вращения. Планета окружена слоем воздуха – атмосферой толщиной около 1 тыс. км, но реально для дыхания пригодна только тропосфера толщиной в 100 раз меньше. В тропосфере существует жизнь и формируется то, что мы называем погодой. На высоте 20 км находится тонкий слой трехатомного кислорода – озона, защищающего Землю от смертельного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Хрупок и уязвим этот слой! Далее следует стратосфера – до 45 км высотой, а еще выше – ионосфера, от которой, кстати, отражаются радиоволны. Ну а еще выше – просто следы атмосферы.

Теперь пойдем в глубь Земли. Океаны имеют максимальную глубину в Марианском желобе Тихого океана – 11 км. Близка к этому и высота самой большой горы – Эвереста – около 9 км. Под земной корой лежит мантия, состоящая из горячей вязкой магмы. Кора как бы плавает на магме этакой тонкой пленочкой. В центре Земли – ядро, имеющее температуру почти как на поверхности Солнца – 5 000 °C и давление в несколько миллионов атмосфер. Удивительно здесь то, что плотность Земли возрастает с 2,6 ⋅103 кг/м3 на поверхности до 12⋅103 кг/м3 и выше в центре ядра. Эта плотность близка к плотности свинца, ртути, золота… Высказывались гипотезы, что ядро Земли состоит из золота, растворенного в ртути («Гиперболоид инженера Гарина» А. Н. Толстого), что оно из сплава железа с никелем (что тоже неплохо!). Но высказывается также и более трезвое мнение о том, что при давлении 1,4 ⋅105 МПа частично разрушается электронная оболочка атомов и вещество сильно уплотняется, приобретая свойства жидких тел, а также электропроводность, как у металлов. Это обуславливает, в частности, загадочные «динамо-процессы» в недрах Земли, которые придают нашей планете магнетизм, предохраняющий нас от смертельных частиц, несущихся от Солнца. Но об этом мы подробнее поговорим позже.

Все это пока гипотезы, так как до ядра Земли мы еще не добрались, до него далековато, а максимальная глубина «дыры», которую мы проделали в Земле, пока не более 13 км.

Но что больше всего поражает, то это потрясающая приспособленность Земли к жизни на ней и, главное, жизни разумной! Ведь «шаг вправо – шаг влево» в отношении и температуры, и давления, и влажности, и состава атмосферы, и радиоактивности, и многого другого – смерть! Но ведь нет же: тончайшая пленка коры все плавает по магме, выдерживая все наши постройки, шахты, карьеры, скважины и другие издевательства; озоновый слой все предохраняет нас от ультрафиолета, несмотря на «травлю» его аэрозолями; океаны «из последних сил» продолжают поглощать углекислоту и другие продукты сгорания топлива; магнитное поле Земли продолжает «отгонять» от нас смертоносные частицы, заставляя их вращаться по кругу вокруг Земли.

Хорошо защищает пока нас Высший Разум, создавший Землю и жизнь на ней! Не будем же испытывать Его терпение!

Коварная соседка – Луна?

А теперь самое время упомянуть о нашей ближайшей соседке – Луне. Вспомним о ее появлении на небе.

Заходит Солнце. На фоне зари ярко вырисовывается узкий блестящий серп, выпуклостью обращенный в сторону заходящего Солнца. Скоро и он опустится вслед за Солнцем за горизонт. Родилась новая Луна.

На следующий день при заходе Солнца станет заметно, что серп расширился, он виден выше над горизонтом и заходит уже не так рано. С каждым днем Луна как бы растет и в то же время отходит от Солнца все дальше и дальше влево. Через неделю Луна оказывается вечером на юге в виде полукруга выпуклостью вправо.

В следующие дни Луна продолжает расти, становится больше полукруга и отодвигается дальше к востоку, пока еще через неделю не станет полным кругом и не наступит полнолуние. В то время, когда Солнце будет уходить под горизонт на западной стороне, с противоположной, восточной, стороны начнет подниматься полная Луна. К утру оба светила как бы меняются местами: появление Солнца на востоке застает полную Луну заходящей на западе.

Дальше день за днем Луна всходит все позднее. Она становится все более урезанной, или ущербленной, но уже с правой стороны. Через неделю после полнолуния вы вечером не увидите на небе Луны. Она только около полуночи показывается на востоке из-за горизонта и опять в виде половины круга, но выпуклостью, направленной теперь влево. Это последняя четверть. Утром можно увидеть с южной стороны полукруг Луны, обращенный выпуклостью к восходящему Солнцу. Через несколько дней только перед восходом Солнца появляется из-за горизонта на востоке узкий серп Луны. А еще через неделю, после последней четверти, Луна совсем перестает быть видимой – наступает новолуние; потом она появится опять с левой стороны от Солнца: вечером на западе и выпуклостью уже опять вправо (рис. 13).


Рис. 13. Фазы Луны

Так изменяется вид Луны на небе каждые четыре недели, точнее – за период 291/2 суток. Это лунный, или синодический, месяц. Он послужил основой для составления календаря еще в древние времена. Такой лунный календарь сохранился у некоторых восточных народов и до настоящего времени.

Можно рассчитать, когда и как будет видна Луна – когда будут светлые и темные ночи, а когда вся ночь будет лунная, светлая. Это бывает иногда очень важно знать заранее.

Изменение лунных фаз можно свести в таблицу.

Таблица для расчета фаз Луны

Во время новолуния Луна находится между Землей и Солнцем и обращена к Земле неосвещенной стороной. В первую четверть, т. е. через четверть оборота Луны, к Земле обращена половина ее освещенной стороны. В полнолуние Луна находится в противоположной Солнцу стороне, а к Земле обращена вся освещенная сторона Луны, и мы видим ее полным кругом. В последнюю четверть снова мы видим с Земли половину освещенной стороны Луны. Теперь понятно, почему выпуклая сторона серпа Луны всегда обращена к Солнцу.

В ближайшие вечера после новолуния можно наблюдать, кроме яркого серпа, и не освещенную Солнцем, но слабо видимую часть Луны. Такое явление называется пепельным светом. Это ночная поверхность Луны, освещаемая только отраженными от Земли солнечными лучами.

Изменение фаз Луны объясняется двумя причинами: во-первых, Луна – непрозрачный шар, освещаемый Солнцем, и, во-вторых, Луна обращается вокруг Земли.

Время обращения Луны вокруг Земли называется звездным месяцем и составляет 271/3 суток, т. е. меньше 291/2 суток, в течение которых происходит смена фаз Луны. Причиной этого является движение самой Земли. Обращаясь вокруг Солнца, Земля увлекает за собой и свой спутник – Луну. Поясним это.

Пусть Луна будет в положении новолуния. Пока она сделает полный оборот за 271/3 суток, Земля вместе с Луной займет в это время иное положение по отношению к Солнцу: Луна еще не окажется между Землей и Солнцем. Для того чтобы наступило следующее новолуние, Луне надо продвинуться еще дальше и сделать больше полного оборота. На это ей потребуется более 2 суток. Вот причина различия между длительностью синодического и звездного (сидерического) месяцев.

В новолуние, когда Луна оказывается между Землей и Солнцем, она может закрыть его от нас, и тогда наступит солнечное затмение (рис. 14, а, б). В полнолуние Луна, находясь по другую сторону от Земли, может попасть в тень, отбрасываемую Землей, тогда произойдет лунное затмение. Затмения не происходят каждый месяц потому, что Луна обращается вокруг Земли в плоскости, не совпадающей с той плоскостью, в которой Земля обращается вокруг Солнца.


Рис. 14. Солнечные затмения: а – фазы частного затмения (Москва, 9 июля 1945 г.); б – движение лунной тени по Земле

Луна движется вокруг Земли не по окружности, а по эллипсу, поэтому ее расстояние от Земли не остается постоянным. В среднем оно составляет 384 400 км.

Зная расстояние до Луны, ученые вычислили ее действительные размеры. Диаметр Луны составляет 3 476 км, т. е. немногим более четверти диаметра Земли. Площадь Луны меньше даже территории одной Азии. По объему Луна почти в 50 раз меньше Земли, а по массе – в 80 раз. На рис. 15 показано, что увидел бы астронавт, находясь на поверхности Луны.


Рис. 15. Лунный пейзаж и Земля

При рассмотрении Луны в телескоп (рис. 16) или даже невооруженным глазом на ее поверхности видны темные пятна и всегда почти на одних и тех же местах, одинаково удаленных от краев лунного диска. Значит, Луна обращена к Земле постоянно одной и той же стороной. Это происходит потому, что Луна вращается вокруг своей оси как раз с тем же периодом, с каким она обращается вокруг Земли. Почти как планета Меркурий вокруг Солнца. Чем же вызвано такое загадочное поведение Луны?


Рис. 16. Карта половины Луны, обращенной к Земле

Большинство астрономов полагает, что Земля и Луна возникли как отдельные тела из одного и того же первичного материала и что в своем далеком прошлом они находились ближе друг к другу, чем в настоящее время. В эпоху своего возникновения Луна быстро вращалась вокруг своей оси и была жидкой. Притяжение Земли вызывало на Луне приливы, заставлявшие последнюю принимать вытянутую форму; постепенно приливное трение снижало скорость вращения Луны и увеличивало ее период вращения до тех пор, пока он не стал равен периоду обращения вокруг Земли. С течением времени Луна затвердела и так и осталась обращенной к Земле одной стороной.

Так как Луна вызывает на Земле приливы, то и земные сутки должны удлиняться до тех пор, пока периоды вращения Земли и Луны не станут равными периоду обращения Луны. В то же время приливы на Земле вызывают небольшое ускорение движения Луны. Ускоряющая сила, действующая на Луну, будет существовать до тех пор, пока Земля вращается быстрее, чем Луна движется вокруг нее, и вынуждена «тащить» приливные выступы или «горбы» за собой (рис. 17).

Рис. 17. Схема торможения Земли и разгона Луны приливами: 1 – Земля; 2 – Луна; 3 – орбита Луны

Наличие двух «горбов» на океанах Земли, как и то, что приливы и отливы повторяются не раз в сутки, а два раза – через каждые 12 часов, часто вызывает недоумение. А дело в том, что один «горб», ближайший к Луне (рис. 17), вызывается притяжением Луны, и называется гравитационным. Второй же «горб», на противоположной стороне Земли, образуется потому, что Луна вращается не вокруг центра Земли, а Земля и Луна вращаются вокруг их общего центра масс. Этот центр масс находится на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны, и он примерно в 80 раз ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Вода в океанах, стремясь двигаться по прямой, вследствие инерции «отодвигается» на максимальное расстояние от этого центра масс (центра вращения). Так образуется второй «горб» на океанах Земли, и назван он инерционным. Вот и экспериментальное доказательство того, что неверны утверждения: «Луна вращается вокруг Земли», или «Земля вращается вокруг Солнца». Эти тела, будучи свободными, по законам механики вращаются вокруг общего центра их масс. И, стало быть, неправ не только Птолемей со своей геоцентрической моделью мира, но и Коперник со своей гелиоцентрической моделью!

Так как Луна ускоряется на своей орбите, то она по спирали уходит от Земли. А поскольку вращение Земли происходит быстрее, чем обращение Луны вокруг нее, расстояние между этими телами растет, а орбитальный период – удлиняется. Наблюдения показывают, что Луна в наше время имеет более вытянутую форму, чем следовало ожидать, если бы Луна затвердевала на своем теперешнем расстоянии от Земли. Поэтому в то давнее время, когда приливные выступы на Луне превращались при остывании в твердый материал, из которого состоит Луна, она была ближе к Земле, чем сейчас.

Вычисления показывают, что Луна будет продолжать удаляться от Земли по спирали до тех пор, пока ее орбитальный период не станет равным 50 суткам; периоды вращения Земли и Луны будут тогда также равны 50 современным суткам. То есть сутки на Земле будут длиться 1 200 часов, и Луна будет «висеть» неподвижно над одним и тем же местом на Земле.

Луна уже миллиарды лет «тормозит» Землю за счет приливов и отливов. Подсчитано, что 3 миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, т. е. Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раз быстрее. Вот такие чудеса творит Луна!

Приливные чудеса будут продолжаться также под влиянием солнечного притяжения, но гораздо медленнее. В результате этого период вращения нашей Земли будет продолжать увеличиваться, пока в конце концов он не станет равным периоду обращения Земли вокруг Солнца. Такое состояние, по-видимому, ожидает планету Меркурий. Земные сутки тогда удлинятся до нынешнего года, и одна сторона Земли будет постоянно обращена к Солнцу и раскалена, а другая – совершенно замерзнет в тени. Жить лучше будет где-нибудь сбоку, на «краю» Земли. Кому повезет, конечно, потому что никто не знает, где будет этот «край». Так Земля разделит судьбу Луны, но последствия эти для Земли будут гораздо плачевнее. Ведь Земля-то не «поджаривает» Луну, как Солнце будет поступать с самой Землей в будущем.

Дальнейшую судьбу Луны, Земли, да и других планет прогнозировать трудно. Кто-то из астрономов предсказывает падение Луны на Землю, а этой новой «двойной» планеты – на Солнце. Как, собственно, и других планет, по крайней мере, расположенных близко от Светила. Это должно произойти из-за торможения вращательного движения планет вокруг Солнца. А другие астрономы предсказывают взрыв Солнца с поглощением им всей Солнечной системы. Почему-то среди этих сценариев не встречается оптимистических.

Вот такие кошмары могут ожидать нас в будущем. Хорошо только, что это будущее достаточно отдаленное, и пока нам можно спокойно жить и радоваться!

Оглавление

Из серии: О чем умолчали учебники

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Удивительная физика (Н. В. Гулиа) предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ э ю я