Текст книги "Чердак. Только физика, только хардкор!"

Автор книги: Дмитрий Побединский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц)

4.6. Вся правда об алмазах

Лучшие друзья девушек – это, конечно же, бриллианты. Яркие, искрящиеся ограненные алмазы, переливающиеся всеми цветами радуги. Они поистине красивы, уникальны и отчасти неповторимы. Но что делает их такими особенными? Почему их практически невозможно заменить другим веществом, минералом? Неужели они обладают таким набором качеств, которых просто нет у всего остального?

Да, они уникальны. Представьте себе красивую девушку, шею которой украшает бриллиантовое колье. Откуда взялись эти камни? Конечно, они огранены из мутного самородка алмаза, который был добыт в руднике, среди прочей руды, каким-то неизвестным нам работником за какую-то скромную зарплату. Пока все очень прозаично, но вот как образуются залежи алмазов? Вот это интересно.

Происхождение

Оказывается, среди всех драгоценных камней алмазы образуются на самой большой глубине – вплоть до 660 км! Вы только представьте! Земная кора имеет толщину до 75 километров. Под ней на многие километры простирается вязкая мантия с очень разнообразным химическим составом, температурой в тысячи градусов и колоссальным давлением в десятки тысяч атмосфер (из-за тяжести вышележащих слоев земли). И именно там, только в таких условиях, атомы углерода слой за слоем могут формировать кристаллы алмаза. Действительно, нужно высокое давление, чтобы при кристаллизации получался именно алмаз, а не графит. И высокая температура, для достижения определенной вязкости (углерод как бы переходит из жидкого состояния в твердое, но это очень условно).

Эти процессы происходят очень давно, и современным алмазам может быть до 3 миллиардов лет! Но как эти алмазы с такой глубины попадают на поверхность? В этом им помогает вулканическая активность.

Вулканы

Интересный факт: вулканы извергают вовсе не мантию, а магму. Это жидкий расплав, получающийся на границе земной коры и мантии, по сути их смесь. В коре Земли есть газообразные вещества, поэтому магма – это что-то вроде газировки. И в ней могут образовываться пузырьки, если давление резко уменьшается. Когда это происходит, магма пузырится, пузырьки устремляются вверх, увлекают за собой магму, и так происходит извержение.

Сотни тысяч лет назад в определенных местах на Земле происходили прорывы коры, и раскаленная магма выходила на поверхность. Само собой, она увлекала за собой и алмазы, находящиеся в мантии. В дальнейшем вся эта порода застывала, образуя так называемые кимберлитовые трубки. В сечении они напоминают морковку, сверху их диаметр может достигать километра. И около 10 % таких трубок на Земле усыпаны алмазами! Сейчас практически вся добыча алмазов идет так: находим трубку, вырываем огромную яму в земле глубиной до километра, тщательно просеиваем руду, – профит! Сейчас крупнейшие такие трубки разведаны на юге Африки, в России (в Якутии) и в Канаде.

Искусственные алмазы

Стоит отметить, что с середины XX века освоены технологии получения синтетических алмазов ювелирного качества. Принцип тот же: углерод при высокой температуре под высоким давлением медленно кристаллизуется в алмаз. Качество получается отменное.

Так что девушки правильно делают, что ценят алмазы сильнее всего. Это самые древние камни, которые создала для них Земля, причем ближе всего к своему сердцу! Ведь сапфиры, рубины, изумруды и все остальное образуется уже в земной коре, то есть не глубже 70 км.

Блеск и мерцание

Отчасти благодаря своему происхождению алмаз обладает уникальными свойствами. Это самый твердый природный материал с очень высоким коэффициентом преломления и дисперсией. Последние два качества как раз и влияют на игру цвета в бриллиантах, на блеск и красоту.

Только подумайте, алмаз – камень прозрачный. Но блестит ярче зеркала! Как так получается? Как лучи отражаются от него? Вся хитрость в полном внутреннем отражении. Оказывается, лучи света могут отражаться от внутренней поверхности вещества словно от зеркала, а не проходить насквозь. Вы можете это сами проверить в бассейне. Нырните и посмотрите на поверхность. Вдалеке в ней будет отлично отражаться дно и все, что на нем есть. И оказывается, чем больше показатель преломления, тем для большего количества лучей и происходит полное внутреннее отражение, а не пропускание. Так что ограненные алмазы рекордсмены по блеску именно благодаря этому качеству.

А второй фактор – дисперсия. Белый свет – это смесь всех цветов, а разные цвета преломляются по-разному. Красный слабее всех, фиолетовый сильнее всех. Поэтому, войдя в камень, они словно расщепляются, расходятся там, отражаются, выходят обратно и как бы расходятся еще сильнее. Поэтому мы видим мерцание всех цветов радуги. И у алмаза очень велика разница между показателями преломления разных цветов, поэтому и эффект этот очень силен.

Бриллианты подходят ко всему, так как не имеют цвета. Непомерно высокая цена на них во многом объясняется монополией на добычу и производство алмазов, которая принадлежала компании «Де Бирс» вплоть до 70-х годов XX века. Самый большой алмаз в мире «Куллинан» стоит как 94 тонны золота.

Девушки, носите бриллианты… но и не забывайте тех, кто их вам дарит!

5. Космические дали

5.1. Как человек погибнет в космосе без скафандра?

Что произойдет с человеком в открытом космосе без скафандра? Ни у кого нет сомнений, что он умрет. Но от чего именно? Его разорвет на части, он задохнется, у него вскипит кровь, он сгорит на солнце?.. Версий очень много, несомненно только то, что человек погибнет. Так от чего он умрет быстрее всего?

Представьте себе, что вы находитесь в открытом космосе. Там очень холодно, – 271 градус по Цельсию. Конечно, практически все тела превращаются в ледышку при такой температуре. Но как это происходит? Мы знаем, что чем выше температура тела, тем быстрее движутся молекулы в нем. Быстрые молекулы горячего тела ударяются о молекулы холодного тела, теряют свою скорость, при этом тело остывает. Однако у космоса очень маленькая плотность. Например, на высоте 400 километров – меньше 1 квадриллионной грамма на кубический сантиметр. Так что передавать свое тепло там будет просто-напросто некому. Поэтому человек не замерзнет, а будет ощущать всего лишь легкую прохладу.

Теперь давайте рассмотрим другой эффект. От солнца можно получить очень сильный ожог или перегреться. Действительно, в космосе очень много ультрафиолета. На Земле он задерживается атмосферой, однако в космосе такого защитного барьера нет. Поэтому получить ожог открытых частей тела можно уже через 10 секунд. Впрочем, одежда может от этого полностью защитить. А что насчет перегрева? Даже если вы будете поглощать все солнечное излучение, то тогда потребуется как минимум 24 минуты, чтобы достичь летальной температуры в 43 градуса Цельсия.

Следующий фактор, который может привести к смерти, – давление. В космосе чертовски низкое давление, оно практически равно нулю. А внутри человека сохраняется одна атмосфера. Казалось бы, из-за этого перепада человека может разорвать. Но действительно ли этот перепад такой большой? Вовсе нет, ведь разница составляет всего одну атмосферу. Наши ткани достаточно прочны для того, чтобы выдержать такую нагрузку. Человек может раздуться, но не лопнуть. Однако это раздутие приведет к сжатию кровеносных сосудов, и уже через 90 секунд кровоток может прекратиться, что приведет к кислородному голоданию и дальнейшей смерти.

Но что может прикончить человека еще раньше? Может быть, у него закипит кровь? Действительно, при понижении давления температура кипения любой жидкости понижается. Но даже если снаружи давление будет нулевым, давление внутри кровеносных сосудов (то самое, которое меряют, обжимая руку) останется. При давлении в 75 мм ртутного столба кровь будет закипать при 46 градусах Цельсия. Но ведь кровь наверняка имеет температуру тела 36,6⁰. Поэтому она будет недостаточно горячей для того, чтобы закипеть.

Может быть, кессонная болезнь? Все жидкости обладают таким свойством: они могут растворять в себе газ. И кровь тоже может растворять в себе азот и кислород, которые мы вдыхаем. При резком понижении давления возможен следующий эффект: этот растворенный газ выделяется обратно в виде пузырьков, которые могут закупоривать кровеносные сосуды и приводить к трагическим последствиям. Больше всего этой опасности подвержены водолазы. На глубине 40 метров давление в пять раз больше, чем атмосферное давление. Соответственно, при резком всплытии возможен такой эффект, который и называют кессонной болезнью. Но когда мы в космосе, мы имеем дело с перепадом давления от одной до нуля атмосфер. При таких параметрах диаметр образующихся пузырьков меньше 8 микрометров. А диаметр самых маленьких кровеносных сосудов – от 8 до 12 микрометров. Получается, что этот эффект абсолютно безопасен и не влечет никаких серьезных последствий.

Ну и осталась последняя причина – недостаток кислорода. Если я не сгорю, не замерзну и у меня не закипит кровь, разве я не могу задержать дыхание? Ан нет! Давление в легких достаточно высокое, поэтому сила, с которой воздух будет вырываться наружу, очень большая, и этому нельзя будет воспрепятствовать. В результате такого выдоха человек потеряет весь запас кислорода, и у него останется около 10 секунд до того, как он потеряет сознание. За это время он может совершить пару разумных действий, направленных на спасение. Например, набрать 03.

Итак, если в каком-то фильме вы увидите, что люди перемещаются по космосу без скафандра, не такая уж это и выдумка. Оказывается, человеческий организм настолько крепок, что может выдерживать даже такие экстремальные условия.

5.2. Что будет, если гравитация исчезнет?

Гравитация – это сила, которая действует между любыми телами. Как Земля притягивается к Солнцу, так и Статуя Свободы притягивается к Эйфелевой башне, а кремлевские башни притягиваются к вашему телефону. Правда, эта сила ощутима, только если мы имеем дело с планетарными масштабами, но не стоит забывать, что она действует всюду, везде во вселенной, в каждой ее точке, внутри вас и снаружи. Давайте пофантазируем и представим, что будет, если она мгновенно исчезнет во всей вселенной.

Конечно, в первые моменты мы почувствуем невероятную легкость и невесомость. Мы сможем оттолкнуться от земли и парить в воздухе. Правда, обратно мы не сможем упасть, но это не самое страшное. Гораздо хуже, что что остановятся реки, перестанут литься дожди, исчезнут приливы, гидроэлектростанции перестанут работать, все тяжести не будут твердо стоять на поверхности. К тому же если исчезнет гравитация, то атмосфера не будет притягиваться к Земле и начнет рассеиваться в открытый космос. И уже через несколько дней наша планета будет безжизненной из-за никого содержания кислорода и огромной солнечной радиации, которая до этого задерживалась озоновым слоем.

И не стоит забывать, что Земля вращается, поэтому центробежная сила будет стремиться вытолкнуть наружу атмосферу и все, что плохо держится. Она действует всегда, но намного слабее гравитации, поэтому мы ее не замечаем. При исчезновении гравитации эта слабая сила даст о себе знать. Только представьте, автомобили, самолеты, корабли, слоны, бегемоты, люди, весь песок, вода в морях и океанах медленно начнут подниматься вверх… Ну, точнее, вверх только на экваторе, а на остальных широтах они с меньшей силой начнут подниматься под углом.

Но давайте представим, что произойдет во всей Солнечной системе, после того как исчезнет гравитация. Конечно же, Земля, остальные планеты, кометы, астероиды сойдут с орбиты и начнут двигаться по прямой. Скорость орбитального движения убывает с расстоянием, поэтому все тела, которые находятся от Солнца дальше, чем Земля, будут двигаться медленней, и получается, что мы сможем догнать их. Где-то через полгода мы пересечем пояс астероидов, через 7 лет достигнем орбиты Плутона. Далекие объекты, такие, как Плутон, пояс Койпера и облако Оорта, будут двигаться медленно, а мы быстро. Где-то через полгода мы пересечем пояс астероидов, так что мы их догоним и будем двигаться среди них. Это произойдет приблизительно через 400 лет (да, настолько Солнечная система огромна). Правда, плотность облака очень мала, и мы вряд ли врежемся в какой-нибудь астероид, так что бояться нужно не этого.

По всей Земле одновременно начнут извергаться все спящие вулканы. Дело в том, что они располагаются на местах стыков тектонических плит. Плиты наезжают друг на друга, и одна из них погружается вниз. Там она достигает мантии, плавится, и из нее образуется магма, насыщенная кучей элементов и растворенными газами. Пока есть гравитация, есть и давление, из-за которого газы содержатся в магме в растворенном виде. Но как только давление вышележащих слоев исчезнет, произойдет дегазация, как в бутылке минералки, образуется просто шквал пузырьков, и резко увеличивающаяся в объеме магма начнет искать выходы на поверхность, что приведет к обширным извержениям… Хотя они будут смотреться странно: гравитации же не будет!

Но и это далеко не самое ужасное. Пожалуй, самое страшное то, что при исчезновении гравитации Земля… взорвется! Дело в том, что внутри нашей планеты вещество мантии и ядра находится под колоссальным давлением. Оно возникает из-за тяжести вышележащих слоев, которые гравитационно притягиваются к центру. Как раз-таки под действием этого давления вещество очень сильно сжимается. Представьте: если гравитация исчезнет, давления тогда тоже не будет. Внутренности земли начнут расширяться, и это приведет к одновременному извержению всех вулканов и разрывам между тектоническими плитами! Правда, мантия достаточно вязкая, так что это будет похоже больше не на взрыв, а на плавное расширение с разлетающимися кусками земли во все стороны. Вот это действительно апокалипсис!

Но мы ведь считаем, что гравитация пропала везде, во всей вселенной. Для Солнца это обернется полнейшей катастрофой. Дело в том, что оно достаточно массивное, и внешние слои очень сильно притягиваются к центру. Гравитация как будто облачает его в корсет, сжимая и уменьшая в объеме. В противовес этому внутри солнца есть сила, распирающая его наружу, которая появляется благодаря огромному давлению термоядерных реакций. Сейчас эти силы сбалансированы, поэтому у Солнца стабильный размер. Но если гравитация исчезнет, то Солнце начнет с невероятной быстротой расширяться. Это приведет к невероятно огромному взрыву, от которого сразу же можно ослепнуть! В дальнейшем Солнце, точнее то, что от него останется, будет остывать и в какой-то момент затухнет, превратившись просто в туманность.

Это произойдет со всеми звездами во Вселенной, правда, увидим мы это не сразу. Ведь свет от них идет до Земли очень долго. Но через какое-то время на небосводе будут видны яркие вспышки и угасание звезд, одна за другой.

Но ведь и галактики вращаются вокруг определенного центра. Если гравитация исчезнет, притяжение пропадет и галактики рассеются в пространстве. Правда, этого уже не будет видно, так как все звезды в них потухнут, и вся Вселенная погрузится во тьму.

Так что спасибо тебе, гравитация, за то, что ты есть!

5.3. ТОП-5 способов побыть в невесомости

Что общего между падающим лифтом, космической станцией и центром Земли? Ну кроме того, что долго там не живут? Оказывается, во всех этих местах вы будете ощущать невесомость!

Что же такое невесомость? Это не то состояние, когда вы просто висите в воздухе, как в аэротрубе или на стропах парашюта. В невесомости все части тела теряют свою тяжесть: легкие не давят на желудок, желудок не давит на кишечник и так далее. Очень необычное ощущение. И мы привыкли думать, что невесомость доступна только космонавтам. Но на самом деле каждый может побывать в таком состоянии! Давайте посмотрим, как можно почувствовать невесомость.

Центр земли

Пожалуй, самый сложный, но интересный способ – оказаться в центре Земли. Представьте, что вы начали рыть глубокий колодец. Сила тяжести при этом будет уменьшаться. Ведь если мысленно разрезать планету на кусочки, как дольки апельсина, вы будете гравитационно притягиваться к каждой из долек. Но по мере продвижения в глубь планеты направления сил будут меняться, и они частично начнут компенсировать друг друга. В самом центре все силы будут полностью уравновешены, суммарная сила будет нулевой, и вы будете парить в невесомости! Конечно, вряд ли у нас получится так сделать, так что перейдем к реальным способам.

Падающий лифт

Представьте, что вы находитесь в обычном лифте. Если вдруг он начнет падать, вы окажетесь в невесомости. Если вы будете падать не в кабине, а рядом, падение будет синхронным. Но если вы в лифте, то все будет так же. Вы вместе с кабиной падаете с одинаковыми скоростями, поэтому ничего удивительного, что вы сможете висеть относительно стен. То же можно сказать и про все органы тела – все они падают с одинаковой скоростью, не давят друг на друга, поэтому вы не ощущаете их вес.

В такой ситуации не стоит пытаться поймать момент приземления и подпрыгнуть, чтобы остаться в живых. Это провальная идея! Ведь подловить момент приземления практически невозможно. Ну только если вы не победитель битвы экстрасенсов, конечно. К тому же скорость, которую развивает человек в прыжке, – около 10 км/ч. А скорость лифта при приземлении с семнадцатого этажа – около 90 км/ч. У вас не получится ее погасить.

Единственная рекомендация – принять горизонтальное положение. Вертикально вы рискуете сломать позвоночник и ноги. А в горизонтальном положении сломаете ребра – все-таки меньшее из зол. Но не стоит беспокоиться: нынешняя техника и средства защиты лифта от падения очень хороши и надежны.

Космическая станция

Вообще с физической точки зрения и лифт, и орбитальная станция движутся одинаково. Они находятся в свободном падении. Единственная разница состоит в том, что станция падает не вертикально вниз, а вбок. Ракета нужна не только для того, чтобы взлететь повыше, где нет сопротивления воздуха, но и для того, чтобы придать станции огромную скорость. Благодаря этому станция падает как бы вбок, настолько быстро, что постоянно проскакивает планету, улетает за горизонт – ведь Земля круглая. И, в отличие от лифта, станция не сталкивается с поверхностью. Ну, это если все хорошо рассчитано.

Так что космонавты оказываются в такой же ситуации, что и человек в лифте. Они падают синхронно со станцией, поэтому могут висеть в воздухе относительно стен. Удивительно, но на них по-прежнему действует сила тяжести, только она не вдавливает их в пол. Этот способ побывать в невесомости самый эффективный, но и самый дорогой – придется заплатить более 30 млн долларов.

Самолет

Как вы уже поняли, самое главное – свободное падение. И если какой-нибудь великан возьмет нашу несчастную кабину лифта и кинет ее под углом к горизонту, она полетит по параболе. Но все, что находится в кабине, тоже будет лететь по параболе и зависнет в невесомости! Это состояние достигается на всем пути: и при полете вверх, и в высшей точке траектории, и при полете вниз. По этому принципу устроены самолеты для тренировки космонавтов. Они задирают нос вверх, разгоняются, а потом в какой-то момент выключают двигатели и в итоге летят по параболе. Длится невесомость около 25 секунд, за вылет делают более 10 таких подъемов. Стоит это около 200 000 рублей.

Прыжок

Но есть и бесплатный способ ощутить невесомость – просто подпрыгнуть. Пока вы в воздухе, пока летите по параболе, вы ничего не весите! Это трудно почувствовать, потому что мышцы в прыжке напряжены. Да и воздух создает ощущение полета, а не зависания. К тому же на больших скоростях он оказывает сильное сопротивление. Но все же это действительно просто. Можно усилить эффект – прыгать на батуте, или из стратосферы, или на Луне. С трамплина, на мотоцикле, с тарзанки… Так что не сидите дома, отдыхайте активней! Ведь даже просто на долю секунды оторвавшись от Земли, вы становитесь чуть-чуть похожи на настоящих космонавтов.

5.4. Что такое черная дыра? Что внутри?

Поговорим о черных дырах. Загадочные космические объекты, поглощающие все вокруг… Но что они собой представляют? Так ли страшно падать в черную дыру? И самое главное, можно ли сделать ее из пончика?

Итак, черная дыра – это объект, гравитация которого настолько велика, что любое тело, выброшенное из него со сколь угодно большой скоростью, будет неизбежно падать обратно. Максимальной скоростью во вселенной обладает свет, и даже он не может преодолеть гравитацию и вырваться за пределы черной дыры. Наша черная дыра ничего не излучает, вот потому-то она и черная.

Образование черных дыр

Сценариев образования черной дыры может быть несколько. Самые реалистичные рассматривают сжатие материи в очень маленький объем. Как правило черная дыра – это маленький трупик звезды. Как было сказано в предыдущей главе, любая звезда – это огромный газовый шар, в котором действуют силы гравитации, которые стараются сжать его. Им противостоят силы внутреннего давления, возникающие из-за колоссальной температуры термоядерных реакций внутри звезды. Кстати, это словно воздушный шарик: давление изнутри распирает его, но в то же самое время оболочка стягивает его, сдавливает. Вот в таком балансирующем состоянии находится Солнце, да и любая звезда на небосводе.

Но когда запасы топлива заканчиваются, распирающая сила пропадает, и звезда начинает сжиматься под действием собственной гравитации. И если она сожмется меньше определенного радиуса, который называется радиусом Шварцшильда, то она станет черной дырой.

Черная дыра из пончика

На самом деле любой объект обладает таким радиусом. Можно взять человека, и если каким-то неимоверным образом сжать его до размеров в 20 миллиардов раз меньше электрона, то тогда он станет черной дырой. Если взять пончик, айфон, куропатку, арбуз, семечку, учителя географии, Кремль и сжать до определенного радиуса, то образуется маленькая черная дыра.

Землю нужно сжать до размеров черешни, Солнце – до шара диаметром 6 километров. Звезды тяжелее трех солнц уже сами по себе могут сжаться до черной дыры, только за счет собственной гравитации. Меньшим объектам не хватает массы и, соответственно, гравитационного сжатия, чтобы этого достигнуть.

Черные дыры без сжатия

Интересно, что средняя плотность черной дыры тем меньше, чем больше ее масса. Например, если черная дыра в 135 миллиардов раз тяжелее Солнца, то ее средняя плотность будет равна плотности воды. Только представьте, если взять всю воду на Земле, потом еще столько же, и еще столько же, и так 2000 миллионов миллиардов раз, и собрать всю эту воду где-то в космосе в огромную-огромную каплищу, то она станет черной дырой! И ничего сжимать не придется.

Устройство черной дыры

Но что находится внутри черной дыры? Как она устроена? Под действием колоссальной гравитации вся материя сжимается в одну точку. Эта точка имеет бесконечную плотность и называется сингулярностью. Вокруг нее образуется область, из которой ничто не может выбраться, даже свет. Ограничена эта область пространства так называемым горизонтом событий.

Падение в черную дыру (с точки зрения наблюдателя)

Интересно, а что же произойдет, если вы упадете в черную дыру? Сначала посмотрим со стороны вашего предполагаемого напарника. Тут будут сказываться эффекты общей теории относительности. В области с сильной гравитацией время течет медленней относительно областей со слабой гравитацией. Поэтому со стороны будет видно, что по приближении к горизонту событий ваша скорость уменьшается и уменьшается. Вы движетесь все медленней и застываете вблизи горизонта событий. Ваш напарник никогда не увидит, как вы пересекаете его, ведь там время останавливается полностью (с точки зрения стороннего наблюдателя, конечно). Более того, световые волны, отраженные от вас, будут испытывать все большее красное смещение и тускнеть. Так что напарник увидит, как вы потихоньку краснеете, тускнеете и в итоге исчезаете.

Падение в черную дыру (с точки зрения падающего)

Однако для вас все будет происходить совсем по-другому! Если черная дыра достаточно большая, то вы спокойно пролетите горизонт событий, ничего не заметив. Ведь внешне эта граница в пространстве особо ничем не примечательна, хотя обратно дороги уже не будет. Другое дело, что в какой-то момент времени вы превратитесь в спагетти! То есть вы почувствуете, что вас начинает вытягивать по направлению к сингулярности. Ученые решили назвать этот процесс креативно – спагеттификация. Происходит он из-за того, что гравитационное поле вокруг сингулярности очень неоднородно. Чем ближе к ней, тем оно сильнее, поэтому ваши ноги будут притягиваться намного сильнее, чем голова, и будет происходить такое вот растяжение. Так что вас разорвет еще до подлета к точке сингулярности. Ну а когда атомы, из которых вы состоите, все-таки упадут на нее, что будет с ними происходить, пока загадка.

Черные дыры являются крайне интересными объектами даже для теоретиков, ведь в них проверяются научные теории в экстремальных условиях. Опасаться их тоже не стоит, просто так они по космосу не летают. Но если уж вас и занесет в одну такую, просто наслаждайтесь, не каждому уготована такая судьба.