Текст книги "Новая занимательная астрономия"
Автор книги: Соломон Фенрир
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 17 страниц)
Вулканические процессы могут протекать и на спутнике Сатурна Титане, который является одним из самых крупных спутников планет в Солнечной системе. Но только при извержениях на Титане изливаются не потоки горячей лавы, а жидкий метан и растворы аммиака.
Таким образом, вулканические процессы, судя по всему, представляют собой, несмотря на их разнообразие, закономерный этап эволюции небесных тел земного планетного типа. Поэтому изучение вулканических явлений на других планетах Солнечной системы несомненно будет способствовать более глубокому познанию закономерностей внутренней жизни Земли.
Луна и элементарные частицы
Незаменимой природной лабораторией физикам, изучающим строение материи, служат космические лучи. В потоках космического излучения, пронизывающих мировое пространство, можно встретить частицы с такой энергией, которую мы еще не умеем получать даже на самых мощных ускорителях.
Однако у «лаборатории космических лучей» есть и весьма существенный недостаток: если речь идет о поиске частиц, обладающих редкими свойствами, то ожидание может длиться многими десятилетиями. Ведь нельзя знать заранее, когда интересующая нас частица окажется именно в той точке пространства, где находится в данный момент регистрирующая аппаратура.
Физики пытаются выйти из положения, устанавливая в горных районах специальные фотопластинки с толстослойными эмульсиями. Пронизывая такие эмульсии, космические лучи оставляют в них свои следы – треки.
Рис. 11. Следы элементарных частиц в фотоэмульсии.
Но, во-первых, продолжительность подобных наблюдений пока еще невелика, а во-вторых, даже самые высочайшие горные вершины еще далеко не космос. Не все частицы могут пробиться сюда сквозь толщу земной атмосферы. Правда, с развитием техники физики получили возможность поднимать свои приборы на высотных самолетах, шарах-зондах и разного рода космических аппаратах. Но самолеты и шары-зонды могут обеспечить лишь кратковременные наблюдения, а космические аппараты появились сравнительно недавно.
И все же именно космические аппараты могут произвести в изучении космических лучей подлинный переворот Они сделали доступной для исследователей лабораторию, где регистрация космических лучей ведется уже на протяжении миллиардов лет. Эта лаборатория тоже создана самой природой. Речь идет о Луне.
Как мы уже знаем, лунная поверхность, не защищенная атмосферой, подвергается непрерывной обработке частицами космических лучей. И лунные породы хранят следы этих ударов. Изучение таких следов уже началось.
Появились первые, чрезвычайно интересные сообщения. Индийские ученые Д. Лал и Н. Бхаудари в результате специальной обработки образцов, доставленных с Луны, обнаружили в кристаллах лунного вещества необычно длинные треки каких-то частиц. Один из них достигает 18 микрометров. Для сравнения можно указать, что частицы, образовавшиеся при спонтанном делении ядер атомов урана, дают треки длиной только до 14 микрометров.
А американский ученый Б. Прайс обнаружил в лунной породе трек еще в пятьдесят раз длиннее.
Каким же частицам могут принадлежать столь длинные следы?
Что касается треков, обнаруженных индийскими учеными, то не исключена возможность, что они оставлены осколками ядер атомов сверхтяжелых трансурановых элементов…
Как известно, на протяжении долгого времени последнее, девяносто второе место в периодической таблице Менделеева занимал уран. Благодаря успехам ядерной физики ученым удалось искусственным путем синтезировать целый ряд трансурановых элементов.
Главная трудность такого синтеза состоит в том, что трансурановые элементы чрезвычайно неустойчивы. Чем тяжелее ядро, тем быстрее оно распадается. Поэтому можно было ожидать, что получить элементы с номерами выше 103-го очень трудно или даже вообще невозможно. Однако когда в Дубне был синтезирован 104-й элемент, названный «курчатовием», то оказалось, что продолжительность его жизни составляет около трех секунд.
Проанализировав этот и некоторые другие факты, теоретики пришли к выводу, что в мире трансурановых элементов должны существовать своеобразные «островки устойчивости» – атомы, обладающие устойчивыми электронными оболочками. Предполагается, что подобные островки расположены в районе 106—114-го и 124—126-го элементов.
Но если некоторые трансурановые элементы действительно обладают большой продолжительностью жизни, то они должны существовать и в природе. Возникнув, скажем, при каких-либо бурных космических процессах, они могли добраться и до Земли. А значит, имеет смысл искать их следы.
В последние годы такие поиски интенсивно ведутся в различных средах: в земной коре, в арктических льдах в древних отложениях на дне океанов и даже в старинных стеклах и зеркалах.
Но очень может быть, что наилучшие условия для подобных изысканий существуют на нашей древней спутнице Луне…
Какая же чудовищная частица могла оставить в лунном веществе след длиною чуть ли не в миллиметр? Не исключено, что это загадочный монополь – гипотетическая частица, предсказанная еще в 1931 г. известным английским физиком-теоретиком П. Дираком.
Как известно, электрические заряды, положительные и отрицательные, могут существовать независимо друг от друга. В природе имеются электроны и позитроны, протоны и антипротоны. В то же время магнитные заряды, северный и южный, неразрывно связаны между собой. Создать или хотя бы наблюдать монополь и антимонополь, т. е. отделить друг от друга магнитные полюсы, никому никогда еще не удавалось.
Согласно расчетам Дирака, магнитный заряд монополя должен быть приблизительно в 70 раз больше, чем электрический заряд электрона. Следовательно, даже в весьма слабых магнитных полях монополь может приобретать колоссальную энергию. Поэтому, обладая монополем, мы могли бы довольно элементарными средствами создавать необычайно мощные ускорители, не говоря уже о том, что доказательство существования монополя помогло бы разрешить много трудностей теории происхождения космических лучей, в частности, объяснить необычайно высокие энергии некоторых космических частиц.
Кроме того, монополи, согласно подсчетам Дирака, должны обладать значительными массами и взаимодействовать друг с другом в несколько тысяч раз интенсивнее, чем элементарные электрические заряды. В связи с этим выделение монополя и антимонополя в чистом виде гораздо труднее, чем обычных элементарных частиц. Но, с другой стороны, значительно меньше и вероятность их взаимной аннигиляции. Благодаря этому монополи могли бы явиться превосходными «снарядами» атомной артиллерии для бомбардировки различных элементарных частиц, «снарядами», которые можно разгонять до огромных энергий и употреблять много раз подряд. Это привлекло к поискам монополя многих физиков, поискам, которые пока что остались безрезультатными.
Но дело не только в заманчивых практических возможностях, которые сулит получение монополя. Вопрос о существовании элементарных магнитных частиц представляет большой теоретический интерес.
Как обнаружение монополя, так и открытие закона, «запрещающего» его существование, имело бы одинаково важное значение для развития физических представлений о строении мира.
Невидимые миру спутники
Разные планеты «владеют» различным количеством спутников. Это «богатство» распределено в Солнечной системе явно неравномерно. У гиганта Юпитера их 15, у Сатурна по некоторым данным – больше 20, а по мере приближения к Солнцу число спутников резко понижается. У Марса всего два спутника – знаменитые Фобос и Деймос, у Меркурия и Венеры их нет совсем.
У Земли единственный естественный спутник – Луна.
Впрочем, надо еще уточнить, что называть спутником. Мы привыкли к тому, что наша Луна – шаровидное тело, но ведь, вообще говоря, спутники планет могут быть и иными. Важно только, чтобы они были связаны с данной планетой силами тяготения.
В каких же состояниях вообще может находиться в космосе твердое вещество? В виде отдельных бесформенных глыб и в виде… пыли, пылевых облаков. Что касается отдельных глыб, то вполне возможно, что у Земли есть несколько таких спутников. Но зарегистрировать их никому не удавалось, хотя некоторые косвенные свидетельства их существования имеются.
А спутники пылевые?
Еще в XVIII столетии знаменитый французский математик Лагранж, исследуя задачу движения трех взаимодействующих тел, пришел к заключению, что при определенных условиях эти тела могут образовать в пространстве весьма любопытный равносторонний треугольник.
Само собой разумеется, что с течением времени каждое из трех тел будет перемещаться по своей орбите относительно общего центра масс. Но все дело в том, что при этих перемещениях они все время будут оставаться в вершинах равностороннего треугольника. Сам этот треугольник непрерывно видоизменяется, то сжимаясь, то растягиваясь и поворачиваясь относительно центра масс. Но при этом он всегда остается равносторонним. Таким образом, в системе трех тел могут существовать своеобразные «точки равновесия».
А если система состоит только из двух тел, как, например, система «Земля – Луна»? Тогда в ней все равно есть, так сказать, потенциальная «точка равновесия», образующая вместе с двумя другими телами вершины равностороннего треугольника. А так как в плоскости, в которой уже происходит движение двух тел, всегда можно построить пару равносторонних треугольников с двумя совпадающими вершинами, где находятся эти два тела, то, очевидно, в системе двух тел всегда должны существовать две «точки равновесия». Хотя до поры до времени эти точки могут оставаться и незанятыми.
Однако если какое-либо тело окажется в точке Лагранжа и при этом мгновенно потеряет скорость относительно Земли и Луны, то оно попадет как бы в гравитационную «ловушку» и останется в ней навсегда или, во всяком случае, очень надолго.
На первых порах, пока «ловушка» еще пуста, она работает плохо – частицы беспрепятственно пролетают через «зону равновесия» и уходят своей дорогой. Но по мере заполнения «ловушки» веществом процесс «захвата» будет ускоряться. Теперь пролетающие частицы могут сталкиваться с теми, которые уже попались в невидимые сети, и, теряя скорость, пополнять «улов».
Хотя процесс этот чрезвычайно медленный, можно было ожидать, что за многие сотни миллионов лет в точках Лагранжа системы «Земля – Луна» должно было накопиться заметное количество вещества: ведь в околоземном пространстве движется множество пылинок, а возможно, и более крупных тел.
Еще в начале текущего столетия были обнаружены спутники, расположенные в точках Лагранжа системы «Солнце – Юпитер». Вблизи каждой из этих точек астрономы обнаружили по нескольку астероидов.
Всем им были присвоены имена героев древнегреческого эпоса о Троянской войне. Большую группу стали называть «греками», меньшую – «троянцами».
Однако аналогичные спутники Земли, возможное существование которых вытекало из теории, долгое время обнаружить не удавалось. Дело в том, что увидеть подобный спутник можно только тогда, когда соответствующая точка Лагранжа располагается в области небосвода, противоположной Солнцу, и в то же время достаточно далеко от светлой полосы Млечного Пути. И ко всему этому надо, чтобы ночь была безлунной…
Подобные благоприятные сочетания осуществляются в природе крайне редко. Астрономы многие годы фотографировали точки Лагранжа, но никаких следов твердого вещества не обнаруживали. И только несколько лет назад наконец удалось сфотографировать «невидимые» спутники нашей планеты. Они оказались довольно внушительными: поперечник каждого из них сравним с поперечником Земли.
Впрочем, масса этих пылевых облаков по космическим меркам довольно незначительна – всего около 20 тыс. тонн. И уж вовсе не велика их плотность – одна пылинка на кубический километр. Не удивительно, что их так трудно было обнаружить.
Тем не менее с облаками космической материи, расположенными вблизи «точек равновесия», видимо, придется всерьез считаться при выборе траекторий движения космических кораблей.
С другой стороны, весьма заманчиво создать в точках Лагранжа космические орбитальные станции. Их положение в пространстве длительное время почти не придется корректировать. Но тогда, вероятно, возникнет необходимость каким-то образом избавиться от скопившегося в этих районах вещества. Оно может оказаться опасным для сооружений станции и мешать научным наблюдениям.
Бывает ли движение по инерции?
Очень важную роль в понимании движений небесных тел, в частности планет Солнечной системы, сыграло открытие Галилеем закона инерции.
В те времена, когда этот закон был еще неизвестен, великий Кеплер, пытаясь найти причину, заставляющую планеты безостановочно обращаться вокруг Солнца, искал загадочную силу, подталкивающую планеты и не дающую им остановиться.
Теперь хорошо известно, что круговое движение планет складывается из двух движений – прямолинейного и равномерного движения по инерции и падения на Солнце под действием солнечного притяжения.
Но вот несколько неожиданный вопрос: существует ли в реальном мире движение по инерции?
На всю жизнь запомнился мне поучительный случай. Я тогда учился в школе, кажется, в восьмом классе, и мы проходили на уроках физики три закона Ньютона.
На заключительное занятие наш учитель, человек изобретательный и отлично знавший физику, пришел с проекционным фонарем и коробкой диапозитивов.
– Сейчас я буду показывать картинки, – сообщил он. – На них изображены различные ситуации. А вы должны внимательно в них всматриваться и говорить, какой из трех законов Ньютона в них проявляется. Начнем…
На экране появилась первая картинка. Бегущий мальчик зацепился за камень и стремительно падает, выставив вперед руки.
– Итак, о каком законе Ньютона идет речь?
– О первом, – ответили мы дружным хором.
Рис. 12. Мнимая иллюстрация первого закона Ньютона.
И у нас были основания для подобного ответа: дело в том, что за несколько дней до этого нам попалась на глаза пояснительная записка к комплекту диапозитивов «Три закона Ньютона». Уж не знаю, кем она была составлена, но в аннотации к номеру первому – «падающему мальчику» – говорилось:
«Иллюстрация к первому закону Ньютона – закону инерции. Мальчик на бегу зацепился ногой за камень, но верхняя часть его тела продолжает двигаться по инерции. В результате мальчик падает…» Или что-то в этом роде.
– Допустим, – сказал учитель. И вызвал меня к доске.
Я бодро начал:
– Мальчик на бегу зацепился ногой…
– Так… значит, первый закон?
Я кивнул.
– Хорошо. В таком случае вспомним, как он читается?
– Тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается внешними силами изменить это состояние, – без запинки отбарабанил я ньютоновскую формулировку.
– Верно… А теперь переведем это на привычный физический язык. Если на тело не действуют внешние силы, его ускорение равно нулю. Не правда ли?..
– А покой? – спросил кто-то с места. – Вы о нем ничего не сказали?
– Покой – частный случай движения, когда скорость равна нулю… Итак, о чем же говорит и о чем не говорит первый закон? Он говорит только о том случае, когда силы равны нулю. И ни о чем другом! А если силы не равны нулю – первый закон об этом ничего не «знает».
Это было нечто новое. До того дня мы просто старались запомнить формулировки трех законов и научиться решать задачи. Теперь же первый закон Ньютона как бы приоткрылся для нас и с другой своей стороны. Вдруг мы поняли, что «падение мальчика» на картинке не имеет к первому закону ровным счетом никакого отношения.
В самом деле, мальчик зацепился ногой за камень. Но ведь это значит, что на него подействовала сила и в движении мальчика появилось ускорение. С этого момента его движение перестало быть равномерным и прямолинейным… Действительно, первый закон о таком случае ничего сказать не может.
А из всего этого следует важный вывод. О движении по инерции можно говорить только тогда, когда на данное тело не действуют абсолютно никакие силы. Или хотя бы равнодействующая всех сил равна нулю.
Довольно часто приходится слышать такие высказывания: «Двигатели выключились, и ракета продолжала движение по инерции», «Шофер затормозил, но машина по инерции продолжала скользить по ледяной поверхности дороги».
Правомерны ли подобные выражения? Пожалуй, только в литературном смысле. В действительности же и ракета после выключения двигателей, и автомобиль после начала торможения двигались ускоренно. В первом случае это ускорение (положительное или отрицательное) ракете сообщила сила притяжения Земли, во втором – отрицательное ускорение машине сообщила сила трения между протекторами колес и полотном дороги.
Если встать на абсолютно строгую точку зрения, то вряд ли вообще в природе можно указать хотя бы один случай движения «по инерции» в чистом виде, в точном соответствии с первым законом Ньютона. Ведь на любой объект, где бы он ни находился, всегда действуют силы притяжения множества небесных тел.
Речь может идти лишь о таких случаях, когда допустима известная идеализация, т. е. силы, действующие на данное тело, столь незначительны, что практически не оказывают на его движение никакого влияния.
Но без этой существенной оговорки первый закон Ньютона в природе практически никогда не выполняется – это лишь крайний, предельный случай ускоренного движения.
Орбитальные парадоксы
Как мы уже знаем, в основе движения небесных тел лежат законы Кеплера и закон тяготения Ньютона. Эти законы сделались настолько привычными, что невольно может сложиться впечатление, будто в движении космических объектов многое можно предугадать и без расчетов, так сказать, качественно, исходя из физического содержания вышеупомянутых законов. Иногда это в самом деле неплохо удается. Однако в ряде случаев расчеты приводят к результатам, совсем не похожим на те, которые казались нам чуть ли не очевидными…
Космический корабль стартует с борта искусственного спутника Земли, движущегося вокруг планеты по эллиптической орбите. В какой момент выгоднее осуществить пуск – когда спутник будет в апогее или в перигее?
Казалось бы, ответ совершенно ясен: разумеется, в апогее: ведь чем дальше от Земли, тем слабее земное притяжение, тем ниже скорость освобождения, а следовательно, тем меньше необходимый расход топлива.
Однако не следует забывать, что, согласно второму закону Кеплера, спутник движется по своей орбите с переменной скоростью. И в апогее она самая низкая, а в перигее – наиболее высокая.
Что выгоднее? Меньшая скорость освобождения в апогее, но зато и меньший запас начальной скорости или больший запас начальной скорости в перигее, но зато и более высокая скорость освобождения, которую должен набрать корабль?
Никакие качественные соображения не дадут ответа на этот вопрос – нужны точные расчеты.
Необходимо вычислить для апогея и перигея разности между скоростью движения искусственного спутника и скоростью освобождения в данной точке околоземного пространства и сравнить эти разности между собой. Очевидно, предпочтение будет отдано тому варианту запуска искусственного спутника, для которого эта разница окажется меньшей.
Рассмотрим конкретный пример. Пусть запуск космического корабля осуществляется с борта искусственного спутника Земли, который движется по орбите с высотой апогея 330 км и высотой перигея 180 км.
Значения скорости освобождения для разных высот давно вычислены и сведены в специальные таблицы. Заглянув в такую таблицу, мы найдем, что для высоты перигея орбиты этого спутника Земли она составляет 11 040 м/с, а для высоты апогея 10 918 м/с.
Не представляет особого труда рассчитать и скорость движения спутника в перигее и апогее. Она составляет соответственно 7850 и 7680 м/с.
Теперь вычислим искомые разности.
Для перигея 11 040 – 7850 = 3190 м/с, для апогея 10 918 – 7680 = 3238 м/с.
Таким образом, более выгодной точкой для ста та является не апогей, как могло показаться на первый взгляд, а перигей.
Любопытно, что с увеличением эллиптичности орбиты преимущества перигейного старта возрастают в еще большей степени и парадоксальность ситуации становится особенно отчетливой. Например, при сильно вытянутой орбите с перигеем на расстоянии 40 тыс. км от Земли и апогеем, расположенным за лунной орбитой на расстоянии 480 тыс. км от нашей планеты, достигнуть второй космической скорости и вырваться из «тисков» земного притяжения в четыре (!) раза легче из района перигея, чем из района апогея.
Странно получается, не правда ли?
Этот факт лишний раз демонстрирует обманчивость многих наглядных представлений. Впрочем, следует еще раз подчеркнуть, что парадокс, о котором идет речь, справедлив только при сравнении выгодности запусков с одного и того же спутника, движущегося по данной орбите.
Интересно, что при снижении искусственного спутника Земли имеет место обратный парадокс. Казалось бы, выгоднее включать тормозную двигательную установку и начинать торможение в тот момент, когда спутник проходит перигей, т. е. находится ближе всего к земной поверхности.
Но расчеты показывают, что и в этом случае главную роль играет не расстояние от Земли, а скорость движения спутника по орбите. В апогее она ниже, и потому с точки зрения расхода топлива начинать спуск целесообразнее всего именно с апогейного участка орбиты. Правда, в данном случае речь идет о несколько идеализированной задаче, поскольку не принимается во внимание скорость вхождения спутника в плотные слои земной атмосферы.
Рассмотрим теперь еще один космонавтический парадокс, идущий вразрез с обычными представлениями земной механики. Наши привычные представления свидетельствуют о том, что чем быстрее мы будем двигаться, тем скорее преодолеем заданное расстояние. При движении космических аппаратов в полях тяготения небесных тел это утверждение справедливо не всегда. Например, оно отказывается служить при полетах с Земли к планете Венера.
Как известно, Земля обращается по орбите вокруг Солнца со скоростью около 29,8 км/с. Следовательно, такую же начальную скорость относительно Солнца имеет и космический аппарат, стартующий с орбиты искусственного спутника Земли. Орбита Венеры расположена ближе к дневному светилу, и поэтому для того, чтобы ее достичь, начальную скорость аппарата относительно Солнца надо не увеличить, как, скажем, при полете к Марсу, а уменьшить. Но это еще пока только первая «половина» парадокса. Оказывается, чем меньше будет эта скорость, тем быстрее космический аппарат достигнет орбиты планеты Венеры. Как показывают расчеты, при скорости отлета, равной 27,3 км/с относительно Солнца, полет будет продолжаться 146 суток, а при скорости 23,8 км/с – всего 70 суток.
Таким образом, наши привычные земные представления далеко не всегда применимы к движению космических аппаратов.
