Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор. Страница 8

Расширение Вселенной, которое мы рассматривали в предыдущей главе, тоже дает масштаб времени, в течение которого развивалась Вселенная: в настоящее время мы видим непрерывно удаляющиеся от нас. галактики, причем их скорость тем больше, чем дальше они находятся. Мы можем задать вопрос: если верно, что галактики удаляются друг от друга, то не было ли такого времени, когда они располагались теснее? Действительно, если расширение Вселенной происходило с той же скоростью, что и сейчас, то когда-то все галактики должны были находиться в одном месте. Поэтому их расширение, которое мы видим сейчас, не могло идти извечно. Когда же было это время скопления галактик? Напомним, что скорость удаления галактик примерно равна 30 км/сек на каждый миллион световых лет расстояния. Здесь весьма важно, что на прохождение миллиона световых лет со скоростью 30 км/сек требуется 10 миллиардов лет. Это значит, что расширение галактик не могло начаться при той же скорости намного раньше, чем 10 миллиардов лет назад. Прослеживая расширение в обратном направлении, мы должны заключить, что в какое-то время все галактики были сосредоточены, грубо говоря, в одном месте.

Мы снова получаем период, аналогичный другим космическим временам жизни. Что это значит для нас? Немногим более следующего: видимая Вселенная и материя, которую она содержит, 10 миллиардов лет назад были совсем не такими, как сейчас. Мир, как мы его знаем теперь, с составляющим его веществом, с его звездами и планетами, галактиками и системами галактик, существует 10 миллиардов лет. Сегодня никто не знает, в каком состоянии мир был ранее. Вещество, звезды и галактики возникают и исчезают. Все, что мы знаем, это общая длительность процесса — 10 миллиардов лет [19].

Если возраст Вселенной принять за один день, то человечество существует только последние десять секунд.

ГЛАВА III

ДВЕ СИЛЫ ПРИРОДЫ

Тяготение на Земле и в небе

В главах I и II мы соорудили во времени и в пространстве подмостки, на которых развертываются все события в нашем мире. Теперь посмотрим, что же это за события. Мы видим несметное множество объектов, претерпевающих непрерывное изменение и движение на небе и на Земле и обладающих различными свойствами и качествами; среди этих объектов мы находим любые: от самых простых — газов, жидкостей и твердых тел — и до таких сложных, как растения, животные и человек. Поведение всех этих форм материи очень сложно и запутано. И все же мы можем отметить некое подобие порядка в природе. Несмотря на постоянное изменение и движение, мы замечаем сходство между различными объектами, мы разбиваем их на классы и называем их. Материалы, из которых состоят эти объекты, можно разделить по типам, таким, как горные породы, металлы, жидкости, органические вещества и т. д. Эти вещества сильно отличаются по своим свойствам, но мы везде видим одни и те же металлы, горные породы, органические вещества и т. п. Кусок золота остается таким же, где бы на Земле его ни нашли. В мире живого мы тоже находим сходства и тождества. Они поразительным образом коренятся в том, что мы называем видами; мы находим бактерии, деревья, цветы, животных, в пределах каждой такой группы мы видим общие свойства и безошибочно относим всех представителей любой группы к определенному виду. Такие закономерности мы и хотим понять. Мы хотим знать, почему в природе существуют специфические формы, почему эти формы именно таковы, почему они ведут себя именно так, как мы это видим. Для начала, однако, надо изучить некоторые простые свойства природы, которые не носят специфического характера и одинаковы для всех объектов. Настоящая глава посвящена двум таким вопросам — вопросу о тяготении и вопросу о свете.

Тяготение — хорошо известная на Земле сила. Все предметы вокруг нас, большие и малые, притягиваются Землей: они падают вниз, если только их что-либо не поддерживает. Притяжение каждой частицы вещества Землей есть наиболее известный пример действующей в природе силы. Однако понадобились колоссальные усилия и целые столетия работы мысли прежде, чем человечество поняло, что движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца основано на той же силе. Ученые долго считали, что законы, управляющие движением небесных тел, весьма отличны от законов, действующих на Земле. Универсальность законов природы, их справедливость для всей Вселенной были поняты только после Исаака Ньютона.

Луна и планеты не падают ни на Землю, ни на Солнце; как же их движением может управлять сила тяготения? Существует большой разрыв между нашим земным опытом, согласно которому тела падают на Землю, и картиной движения тел по орбитам вокруг какого-то центра в небе (Луна обращается вокруг Земли, планеты — вокруг Солнца). Перекинуть мост от одного к другому — означало сделать решающий шаг в понимании Вселенной. Посмотрим, как это делается.

Предположим, что мы находимся на верхушке очень высокой башни и горизонтально бросаем в пространство камень (рис. 12).

Рис. 12. Траектории камня, брошенного с башни. Траектории а, б и в отвечают бросанию с возрастающей силой. Траектория в никогда не достигнет Земли.

Путь камня изогнется к Земле из-за силы тяжести, и камень упадет на некотором расстоянии от башни. Чем сильнее мы бросим камень, тем более плавно изогнется его путь. Представим себе бросок такой силы, что изгиб траектории будет как раз равняться кривизне земной поверхности, которая, как известно, сферична. В этом случае камень никогда не достигнет Земли, потому что, насколько искривится траектория, настолько же искривляется и поверхность Земли. Мы забросили камень за горизонт. Если бы воздух не замедлял полета, камень кружился бы вокруг Земли как спутник. На этом, конечно, и основан принцип запуска спутников ракетами. В типичном случае первая ступень ракеты поднимает спутник над атмосферой, а вторая — сообщает ему толчок в горизонтальном направлении. Горизонтальная скорость, необходимая для облета Земли по круговой орбите, примерно равна 8 км/сек. Итак, мы видим, каким образом падение может перейти в горизонтальный полет объекта по орбите вокруг Земли, если этот объект получит достаточно сильный горизонтальный толчок.

Посмотрим теперь на орбиту тела вокруг центра притяжения несколько иначе. Когда планета вращается вокруг Солнца, сила тяготения сохраняет орбиту круговой, точно так же, как груз на веревке движется по кругу, если вы вращаете его, держа веревку за другой конец. Сила притяжения уравновешивается центробежной силой, которая при круговом движении стремится столкнуть тело с орбиты наружу.

Центробежная сила (натяжение веревки) тем больше, чем больше оборотов в секунду совершает тело. Она увеличивается также и с удлинением радиуса и, разумеется, пропорциональна массе тела. Легко вычислить центробежную силу, действующую на каждую планету, так как нам известно ее расстояние от Солнца и время обращения.

Центробежная сила точно уравновешивается силой тяготения; поэтому, если мы вычислим центробежную силу на орбите, то тем самым найдем и силу тяготения. Таким способом Ньютон определил силу притяжения планет к Солнцу и спутников планет к самим планетам. Он нашел, что сила тяготения следует очень простому закону: притяжение двух тел прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Например, расстояние между Венерой и Солнцем составляет 0,7 расстояния от Земли до Солнца. Для того чтобы удержать Венеру на орбите при заданном известном времени ее обращения, сила притяжения Венеры к Солнцу должна быть примерно вдвое больше, чем сила притяжения к нему Земли [20]. Это отвечает обратной пропорциональности квадрату расстояния, так как (0,7)² = 1/2. Так человек вычисляет силу, действующую далеко вне пределов его опыта, силу на небесах.