Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой
Шрифт:
Даже среди тех, кто понимает, что означает год, есть множество таких, кто думает, что летом Земля ближе к Солнцу Солнцу и более удалена от него зимой. Скажите это австралийцам, готовящим рождественский ужин на барбекю, в бикини на обжигающе горячем пляже! И в тот момент, когда вы осознаете, что в южном полушарии декабрь — это середина лета, а июнь — середина зимы, вы поймёте, что времена года не зависят от того, насколько близко находится Земля к Солнцу. Должно быть другое объяснение.
Мы не сможем продвинуться с этим объяснением, пока, для начала, не глянем на то, что заставляет небесные тела вращаться вокруг других небесных тел. Поэтому дальше мы этим и займёмся.
На орбиту
Почему планеты остаются на солнечной орбите? Почему что-нибудь остаётся в орбите вокруг чего-либо ещё? Впервые это понял в семнадцатом столетии сэр Исаак Ньютон, один из величайших учёных, которые когда-либо жили. Ньютон показал, что всеми орбитами
Ньютон представлял себе пушку на вершине очень высокой горы со стволом, направленным горизонтально в сторону моря (гора находится на берегу). Каждое ядро, которое она выстрелила, в начале, кажется, движется горизонтально, но одновременно оно падает к морю. Сочетание движения над морем и падения в сторону моря приводит к изящной нисходящей кривой, завершающейся всплеском. Важно понимать, что ядро падает все время, даже на начальной, пологой части кривой. Это не означает, что оно летит некоторое время горизонтально, а затем неожиданно меняет своё решение, как герой мультфильма, который понял, что ему нужно упасть, и поэтому начинает действовать именно так! Снаряд начинает падать с того момента, как как он покинул орудие, но вы не увидите падение как движение вниз из-за того, что снаряд движется (почти) горизонтально и довольно-таки быстро.
Теперь давайте сделаем нашу пушку больше и сильнее, так, чтобы снаряд пролетал много километров, прежде чем наконец плюхнуться в море. Это все ещё нисходящая кривая, но очень плавная, очень «пологая» кривая. Направление движения довольно близко к горизонтальному на большом участке пути, но тем не менее, снаряд все равно падает.
Давайте продолжим представлять пушку все большей и большей, все более и более мощной: такой мощной, что ядро пролетит действительно большое расстояние, прежде чем упадёт в море. Теперь начинает сказываться кривизна Земли. Ядро по — прежнему все время «падает», но поскольку поверхность планеты искривлена, «горизонтальность» начинает означать нечто необычное. Пушечное ядро все ещё следует по изящной кривой, как и прежде. Но по мере того, как она медленно изгибается в сторону моря, море изгибается от неё, потому что планета круглая. Поэтому ядру требуется ещё больше времени, чтобы наконец плюхнуться в море. Оно по — прежнему все время падает, но оно падает вокруг планеты.
Вы можете проследить логику аргументов. Теперь представим себе пушку настолько мощную, что ядро проделывает путь вокруг Земли, пока не вернётся туда, откуда оно было запущено. Ядро по прежнему «падает», но кривая его падения будет совпадать с кривизной Земли, так что оно полетит вокруг планеты, не приближаясь к морю. Теперь оно находится на орбите Земли и будет там в течение неопределённого времени, при условии, что нет сопротивления воздуха, замедляющего ядро (которое в действительности было бы). Оно все равно будет «падать», но изящная кривая его длительного падения будет проходить вокруг Земли снова и снова. Оно будет вести себя так же, как миниатюрная луна. Это и есть спутники — искусственные «луны». Они все «падают», но они но они никогда не снижаются. Спутники, которые используются для ретрансляции междугородных телефонных звонков и телевизионных сигналов, находятся на специальной орбите, названной геостационарной. Это означает, что скорость, с которой они вращаются вокруг Земли, ловко подобрана так, что она точно такая же, что и скорость, с которой Земля вращается вокруг своей оси, то есть они обращаются вокруг Земли каждые 24 часа. Если подумать, это означает, что они всегда парят над одним и тем же местом над земной поверхностью. Именно поэтому вы можете нацелить свою спутниковую антенну точно на тот спутник, который излучает на землю телевизионный сигнал.
Когда такой объект, как космическая станция, находится в орбите, он 'падает' всё время, и все объекты, находящиеся в космической станции, считаем ли мы их лёгкими или тяжёлыми, падают с одинаковой скоростью. Это хороший момент, чтобы остановиться и объяснить различие между массой и весом, что я обещал сделать ещё в предыдущей главе.
Все объекты на орбитальной космической станции невесомы. Но масса у них есть. Их масса, как мы видели в этой главе, зависит от числа протонов и нейтронов, которые они содержат. Вес — это сила тяжести, умноженная на массу. На Земле мы можем использовать вес, чтобы измерить массу, потому что притяжение (более или менее) одинаково везде. Но из-за того, что более массивные планеты имеют более сильную гравитацию, ваш вес меняется в зависимости от того, на какой планете вы находитесь, в то время как ваша масса остаётся везде одинаковой — даже если вы совершенно невесомы в космической станции на орбите. Вы были бы невесомы на космической станции, потому что и вы, и весы, будете оба 'падать' с одинаковой скоростью (в так называемом «свободном падении»), так что ноги не будут оказывать давления на весы, которые, поэтому, зарегистрируют вас как невесомого.
Но хотя вы будете невесомы, ваша масса будет Но будет далеко не нулевой. Если бы вы энергично отпрыгнули от «пола» космической станции, вы отлетели бы к потолку (хотя не было бы очевидно, где пол, а где потолок!), и, независимо от того, насколько далеко потолок, вы ударились бы головой, и ушибли бы её, как если бы упали на голову. И все остальное на космической станции точно так же по — прежнему имело бы свою собственную массу. Если бы у вас в каюте было пушечное ядро, то оно плавало бы в невесомости, что могло бы заставить вас думать, что оно лёгкое, как надувной мяч такого же размера. Но если бы вы попытались бросить его через каюту, вы скоро узнали бы, что оно не такое лёгкое, как надувной мяч. Это была бы тяжёлая работа — отбросить ядро, и вы отлетели бы назад в противоположном направлении, если бы попытались. Пушечное ядро ощущалось бы тяжёлым, даже притом, что оно не демонстрирует особой тенденции лететь «вниз» к полу космической станции. Если бы вам удалось бросить пушечное ядро через каюту, оно вело бы себя как любой тяжёлый предмет, когда он ударяет что-то на своём пути, и было бы не хорошо, если бы оно ударило одного из ваших коллег — астронавтов по голове, либо прямо, либо после отскакивания от стены. Если оно ударит другое пушечное ядро, оба отскочат друг от друга с соответствующим «тяжёлым» чувством, в отличие, скажем, от пары шариков пинг — понга, которые также отскакивают друг друга, но легко. Я надеюсь, что это даёт вам почувствовать разницу между весом и массой. В космической станции, пушечное ядро имеет гораздо большую массу, чем шарик, хотя оба имеют одинаковый вес — ноль.
Яйца, эллипсы и убегающая сила тяжести
Давайте вернёмся к нашей пушке на вершине горы, и сделаем её ещё более мощной. Что произойдёт? Ну, теперь нам нужно познакомиться с открытием великого немецкого учёного Иоганна Кеплера, который жил как раз перед Ньютоном. Кеплер показал, что изящная кривая, по которой предметы вращаются вокруг других предметов в космосе, является на самом деле не кругом, а чем-то другим, известным математикам со времён древних греков как 'эллипс'. Эллипс имеет как бы яйцевидную форму (только «как бы»: яйца не являются идеальными эллипсами). Круг представляет собой частный случай эллипса — представьте себе очень тупое яйцо, яйцо столь короткое и толстое, что оно выглядит как шарик для пинг — понга.
Существует простой способ нарисовать эллипс и, в то же время, убедить себя, что круг представляет собой частный случай эллипса. Возьмите верёвку и сделайте из неё петлю, связав концы в настолько аккуратный и маленький узел, какой вы только сможете сделать. Теперь воткните булавку в блокнот, закрепите петлю вокруг булавки, прикрепите карандаш к другому концу петли, сильно натяните петлю и прочертите все вокруг булавки при полном натяжении петли. Конечно, вы нарисуете круг.
Затем, возьмите вторую булавку и воткните её рядом с первой булавкой так, чтобы они соприкасались. Вы по — прежнему нарисуете круг, потому что две булавки настолько близко друг к другу, что они считаются единой булавкой. И вот теперь самое интересное. Переместите булавки друг от друга на несколько сантиметров. Теперь, когда вы прочертите фигуру при полном натяжении петли, нарисованная вами форма не будет кругом, это будет «яйцевидный» эллипс. Чем дальше друг от друга вы разместите булавки, тем уже эллипс. Чем ближе вы помещаете две булавки друг к другу, тем шире — и круглее — будет эллипс, пока две булавки не станут одной булавкой, а эллипс не станет кругом — частным случаем.
Теперь, когда мы познакомились с эллипсом, мы можем вернуться к нашему супермощному орудию. Оно уже выпустило пушечное ядро на орбиту, которая, как мы предполагали, почти круговая. Если теперь сделать его более мощным, произойдёт то, что орбита станет более «растянутой», все менее круговой. Это называют ‘эксцентричной’ орбитой. Наше пушечное ядро проделывает довольно долгий путь от земли, а затем разворачивается и возвращается обратно. Земля — одна из двух 'булавок'. Другой 'булавки' как твёрдого объекта в действительности не существует, но вы можете представить её себе как воображаемую булавку там в космосе. Воображаемая булавка помогает сделать математику понятной для некоторых людей, но если это смущает вас, просто забудьте о ней. Важно понимать, что Земля не находится в центре 'яйца'. Орбита простирается гораздо дальше от Земли с одной стороны (стороны 'воображаемой булавки'), чем с другой (стороны, где сама Земля — булавка).