Естествознание

Петелин Александр

Все три величины – длина, время и масса – для движущегося (равномерно и прямолинейно относительно внешнего наблюдателя) тела в специальной теории относительности определяются выражениями, содержащими параметр 1 –v^2/c^2; v – скорость движения тела, с – скорость света.

Длина тела l, измеряемая вдоль направления движения тела, определяется формулой

где l₀ –

длина этого же тела при v = 0.

Временной интервал любого процесса t на движущемся теле можно найти по формуле

где t₀ – временной интервал того же процесса на покоящемся (относительно внешнего наблюдателя) теле (при v = 0).

Согласно специальной теории относительности, масса тела (инертная масса) зависит от скорости:

где m₀ – масса покоящегося тела (масса покоя); c – как и раньше, скорость света.

Для небольших скоростей, с которыми мы обычно имеем дело, эти изменения размеров, интервалов времени и массы настолько малы, что их можно не учитывать. Так, например, даже при скорости 0,01c (3000 км/c) увеличение массы, согласно теории относительности, составит лишь 1/20 000.

Эквивалентность массы и энергии

Согласно специальной теории относительности, с ростом скорости тела (частицы) возрастает и его масса. При возрастании скорости растет и кинетическая энергия. Простое соотношение между увеличением массы и увеличением энергии было получено Эйнштейном:

где m – увеличение массы, соответствующее увеличению энергии Е_кин. Эйнштейн предположил, что полная энергия Е, соответствующая массе т,

E = mc^2

Это огромная энергия. Расчет по приведенной формуле показывает, что 1 кг любого вещества содержит в себе энергию (эквивалентен энергии), которая больше электроэнергии, потребляемой всеми странами, существующими на Земле, в течение недели.

Мы с вами немного отвлеклись для пополнения научного багажа, а теперь чуть подробнее о природе самих планет.

3.2. Планеты Солнечной системы

3.2.1. Меркурий

Это ближайшая к Солнцу планета, среднее расстояние от Солнца не превышает 60 млн км, период обращения вокруг Солнца (год по-«меркуриански») составляет 88 земных суток (см. рис. 3 на вкладке). Меркурий чуть больше Луны, его радиус составляет примерно 2440 км. При описании размеров других планет мы также будем приводить радиусы, как обычно принято в астрономии.

Близость к Солнцу и не очень большие размеры диска Меркурия затрудняют его изучение. Однако современные методы наблюдения позволили определить многие планетные характеристики. Так, средняя плотность вещества планеты близка к средней плотности Земли, что позволяет предположить, что внутреннее строение Меркурия может быть похожим

на строение Земли. Долгое время считалось, что Меркурий обращен к Солнцу всегда одной стороной. Это возможно, если период обращения вокруг своей оси совпадает с периодом обращения вокруг Солнца (88 суток). Однако радиолокационные наблюдения поверхности Меркурия позволили установить, что это не так, его вращение осуществляется в прямом направлении, а период его составляет 58 земных суток.

Орбита Меркурия заметно вытянута, самое близкое его расстояние от Солнца – перигелий – составляет 53,7 млн км, самое далекое – афелий – 61,4 млн км. Поэтому температура на поверхности Меркурия меняется в значительных пределах – от 430 °С на дневной стороне при прохождении перигелия до -170 °С на ночной стороне при прохождении планетой афелия.

Исследования Меркурия с космических аппаратов показали, что рельеф его поверхности сходен с лунным (о котором мы поговорим чуть позже). На Меркурии есть лишь одна темная низменность, получившая название Море Зноя. Выделяются также крупные обрывы глубиной 2–3 км и протяженностью в сотни километров. Высота гор на Меркурии не превышает 4 км. Ученые высказывают предположения, что рельеф поверхности Меркурия возник под воздействием метеоритной бомбардировки, т. е. при ударах падающих на поверхность метеоритов, и в результате действия вулканических сил.

3.2.2. Венера

Ближайшая к Земле планета (не считая Луны). Иногда расстояние Венера – Земля сокращается до 40 млн км. Радиус Венеры составляет 6050 км, масса всего на 18 % меньше массы Земли. Венера хорошо видна сразу после заката, на вечернем небе она является самым ярким после Луны и самым красивым космическим объектом. Поэтому ей дали в древности имя богини красоты.

Во второй половине XVIII в. М. В. Ломоносов наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца. Венера днем не видна, но если ее диск при движении пересекает светящийся солнечный диск, то часть излучаемого солнечного света как бы экранируется непрозрачным диском Венеры. Венера выглядит как темная точка на яркой поверхности Солнца. Наблюдения Ломоносова привели его к выводу о существовании вокруг Венеры плотной атмосферы. Более поздние астрономические исследования показали, что атмосфера Венеры обладает сплошным облачным покровом, сквозь него невозможно увидеть поверхность планеты (см. рис. 4 на вкладке).

Один полный оборот вокруг Солнца (венерианский год) совершается в течение 225 суток. Период вращения Венеры вокруг своей оси долгое время определить не удавалось. Эту задачу решили с помощью радиолокационных методов. При этом оказалось, как уже упоминалось, что вращение Венеры происходит с востока на запад, а период вращения составляет 243 суток. Таким образом, за один оборот вокруг Солнца (за один год) на Венере наблюдается два восхода и два заката Солнца.

Исследования, проведенные еще в первой половине XX в., показали присутствие в атмосфере Венеры большого количества углекислого газа, а также наличие небольших долей угарного газа, паров плавиковой и соляной кислот. На Земле эти газы попадают в атмосферу в результате извержений вулканов. Поэтому можно предположить, что на Венере до сих пор также возможна активная вулканическая деятельность.

Все параметры Венеры как планеты, казалось бы, свидетельствовали, что Венера по своей природе очень сходна с Землей – близкие размеры и масса, а значит, и такая же сила тяжести на поверхности, есть плотная атмосфера, облачный слой и т. д. Однако оказалось, что углекислого газа в атмосфере Венеры 97 %, нижняя граница облачного слоя, толщина которого оценивается примерно в 10–12 км, находится на высоте около 60 км от твердой поверхности Венеры. Верхняя часть облаков состоит из капелек серной кислоты с примесью хлорных соединений. Общее количество воды во много раз меньше, чем количество воды в гидросфере Земли. Обилие углекислого газа и густой облачный покров привели к появлению на Венере мощного парникового эффекта. Автоматические станции, побывавшие на планете, свидетельствуют, что температура на поверхности достигает 500 °С (выше, чем на дневной стороне Меркурия!), а атмосферное давление примерно в 100 раз больше нормального атмосферного давления на Земле. Освещенность на поверхности Венеры примерно такая же, как на Земле днем в особенно пасмурную погоду. Однако там так всегда, из-за постоянного облачного слоя Солнце не появляется никогда. Таким образом, условия на Венере кардинально отличаются от земных, и жизнь на этой планете невозможна.