Весь космос, то есть «Вселенная пространства и времени» и все то, что в ней находится, обладает по-видимому, в целом сферической симметрией. Мы живем на маленькой планете, которая обращается вокруг Солнца — одной из сотен миллиардов звезд нашей Галактики. Сама Галактика имеет спиральную структуру с длинными рукавами, которые тянутся от центра, как сыплющие искрами хвосты ярмарочного огненного колеса.
Наша Солнечная система помещается в одном из рукавов на расстоянии, превышающем 30 000 световых лет от центра Галактики (световой год — это такое расстояние, которое свет проходит за год, то есть около 10 000 миллиардов километров). Наша Галактика входит в скопление звездных систем — галактик. За его пределами на невообразимо больших расстояниях рассеяны в космосе другие скопления галактик. У астрономов есть веские основания считать, что эти скопления удаляются друг от друга, так что вся Вселенная расширяется, как детский шарик, когда его надувают воздухом.
Симметричны ли при этом сами галактики? Да, даже спиральные галактики симметричны, если их рассматривать как трехмерные структуры. Правда, спираль на плоскости асимметрична. Нет способа развернуть ее и совместить с зеркальным изображением, не выходя при этом из плоскости. Но спиральные галактики — не плоские фигуры. Если посмотреть на галактику «с ребра», то она имеет форму выпуклой линзы и похожа на две тарелки, сложенные донышками в разные стороны. Плоскость, по которой соприкасаются «тарелки», является плоскостью симметрии галактики и делит ее на зеркальные половины. Как мы видели в предыдущих главах, это означает, что спиральную галактику можно наложить на ее зеркальное отражение; требуется только ее перевернуть. Мы, конечно, говорим все время лишь о главных чертах галактической структуры. Если рассматривать отдельные звезды, составляющие галактику, их размеры, структуру и взаимное расположение, то в таких деталях галактика, конечно, несовместима со своим зеркальным изображением.
Но есть одна «псевдопричина», по которой галактику нельзя наложить на ее зеркальный образ даже «в целом», забыв о структуре; это положение северного и южного полюсов ее магнитного поля.
Известно, что в нашей Галактике существует магнитное поле, хотя и очень слабое. Точная структура этого поля неизвестна, но, по всей вероятности, магнитная ось Галактики почти совпадает с осью вращения. Если помнить о названиях, которые даются противоположным концам магнитной оси, то «левую» и «правую» стороны Галактики уже нельзя перепутать. «Магнитная» Галактика несовместима с зеркальным отражением. Если перевернуть ее так, чтобы спиральные рукава совпали со спиральными рукавами отражения, то северный полюс ее придется на то место, где у отражения южный полюс.
В действительности же, как мы увидим позднее, это ненастоящая асимметрия, а лишь кажущаяся, и вытекает она только из способа, которым мы обозначаем разные концы магнитной оси. Магнитное поле симметрично, но понять его симметрию по-настоящему мы сможем только в гл. 19, разобравшись в природе магнетизма.
Такая же псевдоасимметрия наблюдается и у звезд, подобных нашему Солнцу. Если рассматривать только форму Солнца, тогда оно, очевидно, сферически симметрично. Правда, Солнце вращается, но это не помешает нам совместить его с зеркальным близнецом. Нужно лишь перевернуть отражение, изменив направление оси его вращения, и тогда оно совпадет с оригиналом точка в точку, причем и Солнце и его изображение будут вращаться в одну и ту же сторону. Известно, однако, что у Солнца есть магнитное поле. Его магнитная ось, так же как и у Земли, тесно связана с осью вращения. Если мы повесим на полюса таблички с названиями «северный» и «южный» и не перевесим их на отражении, тогда вращающееся Солнце и его зеркальное отражение уже никак не удастся совместить. Если полюса совпадут, то этого не произойдет с направлениями вращения, а если полюса будут вращаться в одну сторону, то магнитные оси окажутся направленными в разные стороны.
Интересно отметить, что по причинам, пока не известным, магнитная ось Солнца совершает иногда полный «кувырок» — южный его полюс становится северным и наоборот. Поскольку направление вращения Солнца при этом не изменяется, то такой кувырок означает, что Солнце в результате его превращается (в некотором смысле) в своего энантиоморфа!
А как обстоит дело с планетами? Как и Солнце, они сферически симметричны, следовательно, совместимы со своими зеркальными изображениями, если не обращать внимания на детали строения поверхности и направление магнитного поля. У Земли такое поле есть, и его северный и южный полюсы расположены неподалеку от северного и южного полюсов оси вращения нашей планеты. Известно, что, кроме псевдоасимметрии, создаваемой магнитным полем, и форма Земли слегка (правда, очень слабо) асимметрична, грушевидна.
Раньше предполагали, что Земля имеет форму правильного «сплюснутого сфероида», то есть шара, слегка сжатого на полюсах, но точные измерения последних лет показали, что это сплющивание у южного полюса чуть больше, чем у северного. С учетом этой разницы вращающаяся Земля напоминает волчок, поскольку форма «верхней» части у нее отличается от формы «нижней» части; и поэтому Земля несовместима со своим зеркальным изображением, даже если отвлечься от названия магнитных полюсов. Если бы она не вращалась, то не было бы и асимметрии. Поднесите волчок к зеркалу — вы сразу увидите, что он не отличается по форме от своего отражения. Но стоит его завертеть, и симметрия нарушается, У. волчка, вращающегося по часовой стрелке (если смотреть на него сверху), зеркальный близнец вертится против часовой стрелки. Если вы попробуете совместить направления вращения, перевернув, например, изображение, то и тогда наложения не получится, потому что верх и низ у волчка имеют разную форму. На поверхности любого вращающегося небесного тела существуют разного рода интересные асимметричные явления, «левые» в одном полушарии и «правые» в другом. Если вы, скажем, летите на самолете в северном полушарии, направляясь прямо к Северному полюсу, то пилот все время вынужден будет вносить поправку на курс, потому что машину постоянно сносит вправо. При полете в южном полушарии, когда вы летите к Южному полюсу, будет наблюдаться отклонение влево. Это пример действия силы Кориолиса, названной в честь Гюстава Гаспара Кориолиса, французского инженера начала XIX столетия, который впервые занялся серьезным изучением этого явления. Он заметил, что предметы, расположенные в разных точках земной поверхности, перемещаются в пространстве с разными скоростями. Если вы стоите на экваторе, то благодаря вращению Земли совершаете за сутки путешествие длиной примерно 24 000 миль (38 000 км) со средней скоростью 1000 миль в час (1600 км/час). Когда вы двигаетесь к одному из полюсов, то окружность, по которой вы вынуждены путешествовать из-за вращения Земли, становится все меньше и меньше. Поскольку полный круг замыкается каждый раз за 24 часа, скорость ваша в пространстве становится по мере продвижения к полюсу все меньше и меньше. На полюсе, конечно, она становится равной нулю.
Изменение скорости зависит и от того, насколько далеко вы отстоите от центра Земли. Находясь на вершине высокой горы, вы описываете круг большего диаметра, чем стоя у ее подножия. Когда вы спускаетесь с горы, эта окружная скорость уменьшается. Она будет продолжать уменьшаться, если вы начнете спускаться в шахту. Чем глубже вы спускаетесь, тем медленнее вращаетесь. В центре Земли эта скорость обратится в нуль.
Нетрудно видеть, что такое изменение скорости будет в разных полушариях приводить к отклонениям в противоположные стороны. Отклонение будет существенным, конечно, если тело движется с большой скоростью и проходит большие расстояния. При стрельбе из ружья по мишени результирующее отклонение из-за силы Кориолиса оказывается слишком малым, и его можно не учитывать, но, когда на север или на юг летит межконтинентальная ракета, отклонение получается очень значительное, и для точного попадания необходимо принимать его во внимание. Представьте себе ракету, пересекающую северное полушарие на пути к Северному полюсу. По мере ее перелета на север круг, который она описывает вместе с вращающейся Землей, становится все меньше. Из-за инерции ракета стремится сохранить первоначальную скорость, с которой она летела в восточном направлении, поскольку точка запуска вращается вместе со всей Землей.
Пролетев, скажем, 500 миль (800 км), она попадает в район, который движется к востоку с заметно меньшей скоростью. Но ракета имеет прежнюю составляющую скорости в направлении с запада на восток. Поэтому в своем движении к полюсу она и отклоняется относительно земной поверхности на восток, то есть вправо. Поразмыслив немного, можно убедиться, что в южном полушарии при полете к Южному полюсу ракета будет отклоняться влево. В обоих случаях отклонение происходит на восток, но, нанеся получившиеся траектории на глобус, вы убедитесь, что они являются зеркальными копиями друг друга.
В обоих полушариях движущийся объект отклоняется к востоку, если летит к полюсу, и отклоняется к западу, если летит к экватору. Неудивительно, что сила Кориолиса играет значительную роль в движении атмосферных и океанских течений. Некоторые геологи считают, что реки, текущие в южном полушарии на юг, а в северном — на север, размывают свои восточные берега сильнее, чем западные. Сила Кориолиса, несомненно, сказывается на течении рек, но среди геологов существуют разногласия по вопросу о том, достаточно ли велика сила Кориолиса, чтобы объяснить наблюдаемую разницу в подмыве восточного и западного берегов. Проводились исследования на берегах Миссисипи и других рек, текущих в меридиональном направлении, но результаты получены довольно спорные.
Нерешенным остается также вопрос о том, влияет ли сила Кориолиса на воронку, которая образуется при вертикальном стоке воды. Каждый знает, что, если выпускать воду из ванны, она образует водоворот у горловины спускного отверстия. Широко распространено мнение, что закручивание этого водоворота происходит в разных полушариях в противоположные стороны. Обосновывают это следующим примером: представим себе прямо на Северном полюсе большой круглый бассейн с плоским дном, в центре которого имеется спускное отверстие (рис. 17). Выпускная труба в центре бассейна уходит вертикально в землю. Когда вода течет к отверстию, сила Кориолиса стремится завернуть ее в восточном направлении, показанном стрелками, что и приводит к образованию водоворота с вращением против часовой стрелки. Образовавшись, водоворот усиливается; вполне вероятно, что вода, вытекающая из такой ванны на Северном полюсе, действительно будет стремиться образовать воронку с вращением против часовой стрелки.
Рис. 17. Водяная воронка на Северном полюсе.
На Южном полюсе картина меняется. Вода, правда, по-прежнему отклоняется на восток, но это приводит уже к образованию водоворота с закручиванием по часовой стрелке. Тенденция к образованию водоворота при спуске воды будет сильнее всего проявляться на полюсах, уменьшаясь по мере приближения к экватору, где она исчезает. В южном полушарии вода будет, с нашей точки зрения, вытекать «неправильно». На экваторе вода уподобится ослу между двумя охапками сена — она не будет знать, куда закручиваться.
Нет сомнения в том, что, будь бассейн, расположенный не на экваторе, достаточно велик, а вода перед открытием отверстия абсолютно неподвижна, вращение Земли повлияло бы на направление вращения водоворота. Но ванна невелика, и в действительности на водоворот влияют многие другие факторы. Сильнейшим из них является циркуляция воды в ванне при наполнении. У воды в этом отношении удивительно «длинная память»; круговой поток может сохраняться часами, когда вода внешне кажется абсолютно спокойной. Эта циркуляция при спуске воды будет поначалу определять, в какую сторону закрутится вода в стоке. Даже если дать воде «устояться» в течение нескольких дней, на направление водоворота могут оказывать влияние небольшие неровности поверхности дна и стенок бассейна, выпускной трубы и так далее.
Несмотря на это, некоторые опыты, по-видимому, показывают, что эффект силы Кориолиса можно заметить. А. Шапиро, физик из Массачусетского технологического института, проводил недавно эксперименты с круглой ванной диаметром шесть футов (1,8 м). Он обнаружил, что если воде дать возможность устояться несколько дней, а затем открыть пробку, то образуется устойчивый водоворот с вращением против часовой стрелки, который он приписал действию силы Кориолиса. Мэрвин Сибулкин из «Дженерал дайнэмикс» в заметке «О водяной воронке» («Journal of Fluid Mechanics», сентябрь 1962 г., стр. 21—24) не смог подтвердить этого вывода, возможно потому, что пользовался слишком маленьким бассейном. Используя круглый сосуд с прозрачными стенками, сквозь которые можно было следить за плавающими в воде частичками краски, Сибулкин обнаружил, что водоворот всегда следовал за направлением циркуляции воды, возникающей в процессе наполнения сосуда, если не тратить «на успокоение» нескольких часов. А если выпускать абсолютно спокойную воду, никакого предпочтения закручиванию против часовой стрелки обнаружить не удается. К своему великому удивлению, однако, он обнаружил, что независимо от первоначального направления водоворота направление это таинственным образом меняется на обратное, когда воды в бассейне остается меньше чем на полдюйма (1,3 см). Он высказал предварительное предположение, что верхние слои воды, вытекая, закручивают нижние слои в направлении, противоположном тому, в котором вращаются сами.
Вне сомнения, именно сила Кориолиса закручивает против часовой стрелки циклоны и торнадо в северном полушарии, а в южном — в противоположную сторону. Что касается воронки в ванне, то это вопрос еще спорный, и необходимо провести более чистые опыты с большими бассейнами, чтобы иметь окончательное суждение по этому вопросу.