Земля и маятник

История науки знает немало проблем, решение которых потребовало многовекового труда передовых умов человечества и длительной борьбы с ложными представлениями. Ясность достигалась ценою неимоверных усилий. Но во многих случаях впоследствии точно такие же результаты удавалось получить либо гораздо более простыми средствами, либо в качестве довольно элементарных следствий новейших открытий и достижений.

К числу таких проблем относится и вопрос о вращении Земли вокруг собственной оси. То обстоятельство, что людям долгое время не удавалось доказать, что они живут на вращающейся планете, не так тривиально, как может показаться на первый взгляд.

Вообще говоря, во вращающихся системах можно обнаружить ускорения, связанные с вращением (так называемые кориолисовы ускорения). Именно эти ускорения вызывают, например, подмыв правых берегов рек в северном полушарии Земли и левых — в южном.

Но, во-первых, кориолисовы ускорения проявляются только при перемещении тел, а во-вторых, они служат лишь косвенным свидетельством вращения нашей планеты.

Гораздо убедительнее такие явления, которые позволяют обнаруживать не ускорения, а сам факт вращения планеты. Бесспорным признаком суточного вращения Земли могло бы явиться видимое суточное движение Солнца по небу, а также смена дня и ночи. Но, к сожалению, такую же картину мы наблюдали бы и в том случае, если бы Земля была неподвижна, а небесные светила, в том числе и Солнце, «обходили» вокруг нее.

О вращении других небесных тел судить на основе непосредственных наблюдений можно. Так, вращение Солнца можно обнаружить, например, по перемещению солнечных пятен, вращение планеты Марс — по смещению деталей, видимых на ее поверхности. Свою же планету, Землю, люди не могли наблюдать со стороны.

Наглядным и убедительным доказательством вращения Земли явился опыт Фуко с качающимся маятником.

Маятник, т. е. груз, подвешенный на нити, — один из самых простых по устройству и в то же время самых замечательных приборов. Физическая сущность опыта с маятником состоит в следующем. Силы, действующие на качающийся маятник, сила земного притяжения и сила натяжения нити, лежат в одной плоскости — в плоскости его качаний. Поэтому приведенный в движение свободно подвешенный маятник будет все время качаться в одной и той же плоскости. Физики формулируют это свойство маятника так: «Плоскость качаний маятника сохраняет неизменное положение в пространстве».

Доказательство вращения Земли с помощью качающегося маятника общеизвестно, и мы не будем его напоминать. Заметим только, что этот опыт обладает одним существенным недостатком. Чтобы надежно обнаружить поворот плоскости качания маятника вследствие вращения Земли, нужно довольно длительное время.

В начале пятидесятых годов нашего века советским инженером Пошехоновым был предложен оригинальный прибор для доказательства суточного вращения нашей планеты. По существу это тоже маятник, но особого типа, а само доказательство основано на совершенно ином принципе.

Представьте себе вертикально расположенную рамку, установленную на подставке и способную вращаться относительно нее вокруг вертикальной оси. В центре рамки на горизонтальной оси укреплена свободно вращающаяся штанга с грузиками на концах. Вот и весь прибор.

Рис. 4. Маятник Пошехонова.

Как же он работает? Действие этого своеобразного маятника основано на законе сохранения момента количества движения.

Момент количества движения — это произведение массы данного тела m на его линейную скорость V и на расстояние R от оси вращения. Но линейная скорость равна произведению R на угловую скорость ω (V = Rω).

Итак, N = mωR2 , где m — величина постоянная.

Теперь допустим, что радиус R уменьшается, т. е. тело приближается к оси вращения. Так как m постоянна, то для того, чтобы произведение ωR2 не изменилось, должна соответственно увеличиться ω.

Другими словами: с приближением вращающихся масс к оси вращения угловая скорость возрастает.

Обычно в качестве примера приводят вращающегося фигуриста. Выбрасывая руки в стороны или поднося их к груди, он регулирует скорость своего вращения. То же самое может проделать и парашютист во время затяжного прыжка, и космонавт, свободно плавающий в состоянии невесомости в кабине корабля или в открытом космосе.

Вернемся к нашему маятнику. Установим его на неподвижной площадке и заставим центральную штангу вращаться вокруг горизонтальной оси. Штанга будет вращаться до тех пор, пока не остановится вследствие трения в подшипниках. Это на неподвижной площадке.

А теперь пусть подставка равномерно вращается вокруг вертикальной оси, т. е. маятник находится в центре вращающейся площадки. В этом случае картина существенно изменится.

В то время, когда штанга занимает горизонтальное положение, т. е. грузы расположены далеко от вертикальной оси, маятник поворачивается вместе с площадкой. Но в момент, когда штанга придет в вертикальное положение и грузы на ее концах окажутся на оси вращения подставки, угловая скорость вращения рамки относительно вертикальной оси возрастет. И рамка вместе со штангой должна сделать «рывок», обгоняя вращение подставки.

Таким образом, в том случае, если наш маятник находится на вращающейся площадке, будет наблюдаться постепенный поворот плоскости вращения штанги. Нетрудно сообразить, что по этому принципу можно судить о вращении подставки, даже не наблюдая его непосредственно.

А это значит, что описанный нами маятник может быть с успехом применен и для обнаружения вращения Земли. Заметный эффект смещения будет достигаться значительно быстрее, чем у маятника Фуко.

Несколько лет тому назад маятник, о котором идет речь, был построен и установлен в фойе Московского планетария. Он безотказно работал в соответствии с теми соображениями, которые были приведены выше.

Казалось бы, самый верный способ как можно лучше изучить Землю — побывать в каждом ее уголке, проникнуть в ее недра, учесть все явления, происходящие на ее поверхности. Ученые так и поступают.

Но в целом ряде случаев решение земных проблем значительно облегчается, если «оторваться» от нашей планеты и выйти в космос. Если задуматься, то ничего удивительного в этом нет. Вообще, в естествознании действует неписаный закон: если мы хотим изучить какой-либо объект, надо рассматривать не только этот объект сам по себе, но обязательно более широкую область явлений. В частности, выход в космос дает нам весьма убедительное и в то же время наглядное свидетельство вращения нашей планеты. Речь идет о движении искусственных спутников Земли.

На искусственный спутник, движущийся по околоземной орбите, фактически действует лишь сила земного тяготения, которая лежит в плоскости этой орбиты (мы не будем сейчас принимать во внимание отклонения, связанные с тем, что Земля не является идеальным однородным шаром, и некоторые другие тонкие эффекты). Благодаря этому плоскость орбиты спутника за короткие отрезки времени не изменяет своего положения относительно звезд. Если бы земной шар не вращался вокруг своей оси, то спутник при каждом последовательном обороте проходил бы над одними и теми же точками земной поверхности. Но в связи с тем, что Земля вращается с запада на восток, трасса спутника, т. е. проекция его движения на поверхность Земли, непрерывно смещается в направлении к западу.

Как известно, искусственный спутник, движущийся на высоте порядка 200–300 км, затрачивает на один полный оборот вокруг Земли около 90 минут, т. е. около полутора часов. Нетрудно подсчитать, что за это время земной шар успевает повернуться на 22,5°. Протяженность окружности земного экватора составляет около 40 тыс. км. Таким образом, поворот на 22,5° соответствует примерно 2500 км. Следовательно, при каждом обороте спутник пересекает линию экватора на 2500 км западнее, чем при предыдущем. Примерно через сутки, совершив 16 витков вокруг Земли, спутник пройдет над районом запуска.

Вспомним, что при осуществлении группового полета советских космических кораблей «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8» в 1969 г. каждый следующий корабль стартовал приблизительно через сутки после предыдущего.

 

Над нами звездное небо

Задумывались ли вы над тем, почему в дневное время на небе не видны звезды? Ведь воздух и днем так же прозрачен, как и ночью. Все дело здесь в том, что в дневное время атмосфера рассеивает солнечный свет.

Представьте, что вы находитесь вечером в хорошо освещенной комнате. Сквозь оконное стекло яркие фонари, расположенные снаружи, видны достаточно хорошо. Но слабо освещенные предметы разглядеть почти невозможно. Однако стоит только выключить в комнате свет, как стекло перестает служить препятствием для нашего зрения.

Нечто похожее происходит и при наблюдениях неба: днем атмосфера над нами ярко освещена и сквозь нее видно Солнце, однако не может пробиться слабый свет далеких звезд. Но после того, как Солнце погружается под горизонт и солнечный свет (а с ним и свет, рассеянный воздухом) «выключается», атмосфера становится «прозрачной» и можно наблюдать звезды.

Иное дело в космосе. По мере подъема космического корабля на высоту плотные слои атмосферы остаются внизу и небо постепенно темнеет.

На высоте около 200–300 км, там, где обычно совершают полеты пилотируемые космические корабли, небо совершенно черное. Черное всегда, если даже на видимой его части в данный момент находится Солнце.

«Небо имеет совершенно черный цвет. Звезды на этом небе выглядят несколько ярче и четче видны на фоне черного неба», — так описывал свои космические впечатления первый космонавт Ю. А. Гагарин.

Но все же и с борта космического корабля на дневной стороне неба видны далеко не все звезды, а только самые яркие. Глазу мешает ослепительный свет Солнца и свет Земли.

Если посмотреть на небо с Земли, мы отчетливо увидим, что все звезды мерцают. Они как бы то затухают, то разгораются, переливаясь при этом разными цветами. И чем ниже над горизонтом расположена звезда, тем сильнее мерцание.

Мерцание звезд тоже объясняется наличием атмосферы. Прежде чем достичь нашего глаза, свет, излучаемый звездой, проходит сквозь атмосферу. В атмосфере же всегда имеются массы более теплого и более холодного воздуха. От температуры воздуха в той или иной области зависит его плотность. Переходя из одной области в другую, световые лучи испытывают преломление. Направление их распространения изменяется. Благодаря этому в некоторых местах над земной поверхностью они концентрируются, в других оказываются сравнительно редкими. В результате постоянного движения воздушных масс эти зоны все время смещаются, и наблюдатель видит то усиление, то ослабление яркости звезд. Но так как различные цветные лучи преломляются не одинаково, то моменты усиления и ослабления разных цветов наступают не одновременно.

Кроме того, определенную роль в мерцании звезд могут играть и другие, более сложные оптические эффекты.

Наличие теплых и холодных слоев воздуха, интенсивные перемещения воздушных масс сказываются и на качестве телескопических изображений.

Где наилучшие условия для астрономических наблюдений: в горных районах или на равнине, на берегу моря или в глубине материка, в лесу или в пустыне? И вообще, что лучше для астрономов — десять безоблачных ночей на протяжении месяца или всего одна ясная ночь, но такая, когда воздух идеально прозрачен и спокоен?

Это лишь малая часть тех вопросов, которые приходится решать при выборе места для строительства обсерваторий и установки крупных телескопов. Подобными проблемами занимается особая область науки — астроклиматология.

Несколько лет назад в нашей стране вступил в строй крупнейший в мире телескоп с поперечником зеркала шесть метров. Это на целый метр больше поперечника зеркала знаменитого Паломарского телескопа в США.

Что означает лишний метр для астрономов? Рамки наблюдаемой области Вселенной раздвинулись приблизительно в 1,2 раза.

В связи с постройкой нового телескопа ученые Главной астрономической обсерватории АН СССР в Пулкове в течение нескольких лет проводили астроклиматические исследования в различных районах Советского Союза, в первую очередь в кубанских степях, на Кавказе, в Грузии и Армении, на Памире и в горах Тянь-Шаня, на озере Иссык-Куль и даже в Уссурийском крае. В результате этих поисков был избран один из районов Северного Кавказа в Ставропольском крае. Там и возведена новая обсерватория для шестиметрового гиганта.

Правда, на территории нашей страны есть места с еще лучшими астроклиматическими условиями — в Средней Азии и на Памире. Однако строительство крупной обсерватории в этих труднодоступных местах было бы сопряжено с огромными техническими трудностями и дополнительными затратами. Кроме того, районы, о которых идет речь, удалены от больших научных центров. Поэтому предпочтение все же было отдано Северному Кавказу.

Но, разумеется, наилучшие условия для астрономических наблюдений — за пределами плотных слоев атмосферы, в космосе. Кстати, и звезды здесь не мерцают, а горят холодным спокойным светом.

Привычные созвездия выглядят в космосе точно так же, как и на Земле. Звезды находятся на огромных расстояниях от нас, и удаление от земной поверхности на какие-нибудь несколько сотен километров ничего не может изменить в их видимом взаимном расположении. Даже при наблюдении с Плутона очертания созвездий были бы точно такими же.

В течение одного витка с борта космического корабля, движущегося по околоземной орбите, в принципе можно увидеть все созвездия земного неба. Наблюдение звезд из космоса представляет двоякий интерес: астрономический и навигационный. В частности, очень важно наблюдать звездный свет, не измененный атмосферой.

Не менее важное значение имеет в космосе и навигация по звездам. Наблюдая заранее выбранные «опорные» звезды, можно не только ориентировать корабль, но и определять его положение в пространстве.

На протяжении длительного времени астрономы мечтали о будущих обсерваториях на поверхности Луны. Казалось, полное отсутствие атмосферы должно создавать на естественном спутнике Земли идеальные условия для астрономических наблюдений как во время лунной ночи, так и в условиях лунного дня.

Для изучения условий астрономических наблюдений на Луне были проведены специальные исследования. С этой целью советская автоматическая передвижная лаборатория «Луноход-2» была оборудована специальным прибором — астрономическим фотометром, разработанным и изготовленным в Крымской астрофизической обсерватории АН СССР. Прибор установили на «Луноходе» таким образом, что его оптическая ось всегда была направлена в зенит лунного неба.

Результаты измерений оказались несколько неожиданными. Выяснилось, что свечение неба на Луне и в видимых и, в особенности, в ультрафиолетовых лучах заметно выше ожидавшегося. Изучение характеристик этого свечения показало, что оно может быть вызвано находящимися в окололунном пространстве частицами лунной пыли.

В связи с этим было высказано предположение, что вокруг Луны существует разреженный рой пылевых частиц, образовавшийся в результате бомбардировки лунной поверхности метеоритами и микрометеоритами. Эти частицы удерживаются на некоторой высоте над поверхностью Луны действием электростатических сил. Они рассеивают не только солнечный свет, но и свет Земли. Ведь наша планета в лунном небе — это светило примерно в 40 раз более яркое, чем полная Луна в небе Земли.

Наличие пылевого роя вокруг Луны может отрицательно сказаться на эффективности астрономических наблюдений с будущих лунных обсерваторий.

 

Новое о Тунгусском метеорите

На протяжении более полувека всеобщее внимание привлекает к себе загадочное событие, которое произошло летом 1908 г. в Сибири. Речь идет о знаменитом Тунгусском метеорите.

На рассвете 30 июня 1908 г. вековое спокойствие сибирской тайги было неожиданно нарушено появлением ослепительно яркого тела, с огромной скоростью летящего по небу. Затмив на несколько секунд солнечный свет и оставив за собой густой дымный след, оно скрылось за горизонтом. Еще через мгновение вблизи фактории Вановара, расположенной в районе реки Подкаменная Тунгуска, взметнулся гигантский столб пламени, хорошо видимый с расстояния до 450 км, образовалось огромное дымовое облако. Катастрофа сопровождалась оглушительными взрывами, которые были слышны в радиусе 100 км. На огромной территории, как при сильном землетрясении содрогалась почва, дрожали здания, лопались оконные стекла, качались висячие предметы. Колебания почвы были зарегистрированы многими сейсмическими станциями Земли, а воздушная волна несколько раз обошла вокруг планеты…

Первая экспедиция к месту Тунгусской катастрофы была организована лишь после Октябрьской революции в 1927 г. Академией наук СССР. В 1928–1930 годах были осуществлены еще две дополнительные экспедиции, а в 1938 г. произведена аэрофотосъемка района катастрофы, к сожалению, очень неполная.

Затем исследования прервала Великая Отечественная война, и очередная Тунгусская экспедиция состоялась только в 1958 г. Однако в последние годы на месте Тунгусской катастрофы побывало несколько хорошо оснащенных самодеятельных экспедиций. Работала в этом районе и комплексная экспедиция Академии наук СССР.

Еще в ходе первоначальных исследований был обнаружен ряд загадочных обстоятельств. В частности, не было найдено ни одной воронки, которые обычно образуются при ударе о Землю космических тел, и ни одного осколка. Лес оказался повален на огромном пространстве в десятки километров, причем направление лежавших на земле стволов деревьев отчетливо указывало направление к центру взрыва. Но именно в центре, где, казалось бы, разрушения должны быть наибольшими, деревья устояли на корню. И только их верхушки и почти все ветви были обломаны таким образом, что создавалось впечатление, будто воздушная волна ударяла по ним сверху…

Возникло предположение о том, что взрыв Тунгусского метеорита произошел в воздухе, на значительной высоте над поверхностью Земли. Судя по всему, взрыв этот носил точечный характер, т. е. произошел мгновенно, в течение сотых долей секунды — в противном случае не получился бы столь правильный радиальный вывал леса. В связи с этим появился ряд гипотез о природе загадочного тела, в том числе и весьма экзотических — вплоть до чисто фантастической гипотезы об аварии космического корабля инопланетной цивилизации, будто бы потерпевшего над тунгусской тайгой ядерную катастрофу.

Однако все предположения — речь, разумеется, идет о научных гипотезах — наталкивались на серьезные трудности и ни одно из них не могло считаться общепризнанным.

На примере Тунгусского метеорита отчетливо прослеживается одна любопытная закономерность, связанная с изучением загадочных явлений природы, для которых в течение долгого времени не удается найти исчерпывающего научного объяснения. Обычно в поисках такого объяснения предпринимаются попытки привлечь для этого каждое новое фундаментальное открытие в соответствующей области естествознания.

Так, с открытием античастиц и развитием идеи антивещества в физике элементарных частиц было высказано предположение о том, что Тунгусский метеорит представлял собою небольшой кусок антивещества, миллиарды лет носившийся в космическом пространстве, а затем столкнувшийся с нашей планетой. Как известно, соприкосновение вещества и антивещества приводит к их аннигиляции — вещество и антивещество полностью превращаются в электромагнитное излучение и при этом выделяется колоссальное количество энергии. Таким путем авторы новой гипотезы пытались объяснить те разрушительные явления, которыми сопровождалась Тунгусская катастрофа.

Правда, предположение об «антиприроде» тунгусского тела особой популярности не приобрело. В частности, было трудно объяснить, каким образом «осколок» антивещества мог длительное время сохраняться, двигаясь в космическом пространстве. Ведь при этом он должен был бы постоянно сталкиваться с многочисленными частицами межзвездной и межпланетной среды, что неизбежно очень быстро привело бы к его аннигиляции.

Еще одна попытка объяснить Тунгусский феномен была предпринята «по следам» другого крупнейшего открытия физики нашего века — создания квантовых генераторов — лазеров.

Выдвигалась идея, согласно которой все явления, возникшие в 1908 г. в тунгусской тайге, были вызваны тем, что в этот момент мощный космический лазерный луч неизвестного происхождения «полоснул» по нашей планете… Однако подобное объяснение выглядело настолько фантастично, что его в общем-то никто не принял всерьез.

В самые последние годы была сделана еще одна попытка связать Тунгусскую катастрофу с новыми физическими идеями. На этот раз «отправным пунктом» послужила гипотеза «черных дыр», интенсивно разрабатываемая физиками и астрофизиками. Черная дыра — это вещество, сжатое до такой степени, что оно оказывается «заперто» силами собственного тяготения. Такой объект способен только поглощать окружающее вещество, но из него наружу не могут вырваться ни частица, ни излучение. Исходя из этого, американские физики из Техасского университета А. Джексон и М. Риан высказали предположение, согласно которому Тунгусский метеорит в действительности был… небольшой черной дырой, которая с огромной скоростью ворвалась в земную атмосферу.

Однако более точные расчеты, проведенные физиками в разных странах, показали, что характер явлений, которые должны были бы наблюдаться при столкновении Земли с черной дырой, совершенно не соответствуют тому, что действительно произошло при падении Тунгусского метеорита.

В то же время осуществлялись и вполне серьезные научные исследования сибирского феномена 1908 г.

Так советскими учеными в Институте физики Земли были проведены весьма интересные эксперименты по моделированию взрыва Тунгусского метеорита. В специальной камере был установлен макет местности района катастрофы в соответствующем масштабе, на котором множество проволочек изображало стволы деревьев. Над этим макетом в разных точках и на разной высоте взрывали небольшие пороховые заряды, приближая их с различными скоростями под разными углами. В каждом таком опыте получалась своя картина вывала «леса». В частности, при некоторых условиях удавалось получить и такой вывал, который совпадал с картиной поваленных деревьев на месте катастрофы.

Анализ полученных результатов показал, что тунгусское тело двигалось со скоростью 30–50 км/с, а вызванный им взрыв произошел на высоте от 5 до 15 км. Эта сила была эквивалентна взрыву 20–40 мегатонн тротила. Что же касается разрушений, возникших в районе падения, то все они, видимо, были вызваны ударными волнами — волной, пришедшей сверху от места взрыва, и волной, отраженной от земной поверхности.

Интересную гипотезу выдвинул известный советский астроном и специалист по изучению метеоритов академик В. Г. Фесенков. Согласно предположению ученого, наша Земля летом 1908 г. столкнулась с ледяным ядром небольшой кометы. Как показали расчеты, проведенные советским ученым К. П. Станюковичем, легкоплавкие кометные льды после входа в земную атмосферу со сверхзвуковой скоростью сначала испарялись сравнительно медленно. Но затем (это должно было произойти в нижних плотных слоях воздуха), когда вся масса льда в достаточной степени прогрелась, она мгновенно должна была превратиться в газовый сгусток и испариться. Произошел мощный взрыв.

Соответствующие вычисления показали, что подобная гипотеза способна вполне удовлетворительно объяснить все явления, наблюдавшиеся в момент Тунгусской катастрофы и после нее. Но для того чтобы предпочесть подобную гипотезу всем прочим предположениям, нужны были дополнительные факты, тем более, что в 1908 г. вблизи Солнца никаких комет зарегистрировано не было. Разумеется, небольшая комета могла остаться и незамеченной, но все же независимые подтверждения, подкреплявшие версию о комете, были необходимы. И такие подтверждения удалось получить.

Уже довольно давно астрономы заметили, что даже после пролета по небу ярких болидов, которые связаны с вторжением в атмосферу достаточно крупных космических тел, как правило, в районе, где наблюдалось это эффектное небесное явление (по небу летит, разбрасывая огненные брызги, ослепительно яркий шар), выпадения метеоритов не происходило. Это обстоятельство получило свое подтверждение в результате наблюдений, проводившихся в последние годы чехословацкими и американскими астрономами, создавшими специальные «метеоритные сети» для систематического фотографирования болидов.

Таким образом, напрашивается вывод, что большинство космических тел, влетающих в земную атмосферу, до поверхности планеты не долетает. Между тем, достаточно крупные каменные или железные метеориты должны были бы выпадать на землю. Уже одно это обстоятельство наводит на мысль о том, что и тело, вызвавшее Тунгусскую катастрофу, и тела, чаще всего создающие явление болидов, имеют одинаковую физическую природу.

Недавно московский астроном В. А. Бронштэн, сравнив данные о 33 ярких болидах с данными, о Тунгусском метеорите, пришел к выводу о физическом подобии Тунгусского тела и основной массы крупных метеоритных тел, которые, влетая в земную атмосферу из межпланетного пространства, вызывают явления болидов, но не достигают поверхности планеты. Иными словами, все эти тела обладают малой плотностью и прочностью и легко разрушаются при движении в атмосфере…

В последние годы была выдвинута еще одна гипотеза, которая представляет собой как бы дальнейшее развитие идеи ледяного ядра кометы. Ее автором является известный советский ученый академик Г. И. Петров. Согласно расчетам ученого, загадочное тело, вызвавшее Тунгусскую катастрофу, представляло собой огромный снежный ком — тело с очень рыхлым ядром, состоящим из кристалликов льда массой около 100 тысяч тонн и поперечником порядка 300 м, средняя плотность которого была в десятки раз меньше плотности воды.

Влетев в земную атмосферу со скоростью, более чем в 100 раз превосходящей скорость звука, снежный ком быстро разогрелся и стал интенсивно испаряться. На высоте в несколько километров остатки снежного тела и образовавшиеся в результате испарения газы, летящие перед ним, мгновенно расширились, что привело к образованию очень мощной ударной волны. Именно эта волна и вызвала радиальный вывал леса на площади поперечником в десятки километров.

Предлагаемая гипотеза хорошо объясняет как физическую природу воздушного взрыва Тунгусского метеорита, так и отсутствие воронок и осколков. Вместе с тем следует признать, что единого мнения относительно природы Тунгусского феномена у специалистов не существует и до сих пор и катастрофа 1908 г. в районе реки Подкаменная Тунгуска во многом продолжает оставаться неясной.

Но одно не вызывает сомнений — Тунгусская катастрофа — бесспорно уникальное явление природы и неослабевающий интерес ученых к ней вполне оправдан. И очень может быть, что в результате дальнейшего изучения этого удивительного феномена наука откроет какие-то новые, неизвестные еще стороны космических и геофизических процессов.

 

Космонавтика проверяет астрономию

Могут ли дистанционные исследования приносить достоверные сведения об окружающем мире?

Вопрос, имеющий самое непосредственное отношение к астрономии. Ведь космические объекты находятся на огромных расстояниях от Земли и поэтому исследователи Вселенной, по крайней мере до самого последнего времени, не имели возможности изучать их непосредственно. В последние годы такая возможность появилась благодаря быстрому развитию ракетно-космической техники и успешному освоению космического пространства. На наших глазах родилась космическая астрономия: космические аппараты доставляют измерительную и телевизионную аппаратуру в районы ближайших небесных тел и даже на их поверхность.

Появилась вполне реальная возможность сопоставить «багаж знаний», кропотливо накопленных поколениями астрономов о Солнечной системе с новыми «космическими» данными. И что же?

Ответ на этот вопрос в весьма образной, хотя и несколько парадоксальной форме был дан известным советским астрономом членом-корреспондентом АН СССР И. С. Шкловским в одном из его выступлений:

— Величайшим достижением в области изучения Солнечной системы с помощью космических аппаратов является то, что в этой области никаких великих открытий сделано не было. Не оказалось, что «все не так». Принципиальная схема космических процессов, протекающих в планетной семье Солнца, построенная наземной астрономией, получила убедительное подтверждение…

Этот вывод имеет черезвычайно важное, принципиальное значение: несмотря на дистанционный характер и возникающие вследствие этого трудности, астрономические исследования дают нам достоверные знания о Вселенной.

Разумеется, было бы наивно думать, что роль космической астрономии сводится лишь к подтверждениям. Если бы это было так, то ее, вероятно, не стоило бы и развивать. Новый метод изучения космических объектов в ряде случаев гораздо эффективнее прежних традиционных. И это позволяет с его помощью добывать принципиально новую информацию, недоступную наземной астрономии, выяснять важные детали космических процессов и явлений, находить ответ на многие вопросы, долгое время остававшиеся неясными.

Так, например, еще до полета на Луну космических аппаратов остро стоял вопрос о свойствах лунного грунта. Существовало мнение, что благодаря миллиардам лет метеоритной бомбардировки поверхностный слой Луны превращен в мельчайшую пыль, толстый слой которой способен засосать совершивший посадку космический аппарат. Проверкой этой гипотезы занялись радиоастрономы Горьковского радиофизического института.

Начались исследования теплового радиоизлучения лунной поверхности. Вывод был такой: толстого слоя пыли на Луне нет, лунный грунт достаточно прочен и в механическом отношении напоминает мокрый песок. Разумеется, поверхностный слой Луны не мокрый, речь идет о сходстве механических свойств…

Этот вывод наземной астрономии был подтвержден многочисленными космическими аппаратами, побывавшими на Луне, а также советскими луноходами и участниками американских лунных экспедиций.

Но прежде попробуем разобраться в том, почему дистанционные методы астрономических исследований приносят результаты, соответствующие реальному положению вещей?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо познакомиться с теми принципами, которые лежат в их основе. Главный принцип состоит в том, что изучаются не сами космические объекты, а их излучения — электромагнитные и корпускулярные. Свойства этих излучений зависят от свойств их источников. Иными словами, в них содержится информация о свойствах космических объектов и различных физических процессах, протекающих во Вселенной.

Таким образом, астрономические исследования в принципе сводятся к наблюдению и регистрации различных излучений, приходящих из космоса, их анализу и извлечению соответствующей информации. Но это либо те же самые методы, которые с успехом используют физики в земных лабораториях, либо методы, допускающие всестороннюю экспериментальную проверку.

Еще в прошлом столетии французский ученый Огюст Конт во всеуслышание заявлял, что человек никогда, не сможет узнать химического состава звезд. Но этому мрачному прогнозу, как и многим другим подобным же пессимистическим предположениям, не суждено было исполниться. Довольно скоро он был опровергнут. Нашелся надежный и эффективный метод определения химического состава удаленных объектов, разработанный физиками и многократно проверенный в земных лабораториях — метод спектрального анализа светового излучения. Более того, спектральные исследования позволяют не только изучать химический состав источников космического излучения, но и определять их температуру, физическое состояние, магнитные свойства, скорость движения в пространстве, находить ответ на многие вопросы, интересующие ученых.

То же самое можно сказать и о других методах астрономических исследований.

В заключение следует подчеркнуть, что космическая астрономия не может обойтись без своего наземного собрата. Решение очень многих проблем, связанных с изучением космических явлений, требует параллельных оптических и радиоастрономических исследований, сравнения данных, полученных различными методами. Только при этом условии можно понять физическую сущность целого ряда наблюдений, выполненных с космических орбит. Без наземного астрономического комплекса гармоническое развитие науки о Вселенной просто невозможно.

 

Судьба одной гипотезы

У планеты Марс есть два маленьких спутника — Фобос и Деймос. Деймос обращается по орбите, удаленной от планеты примерно на 23 тыс. км, а Фобос движется на расстоянии всего около 9 тыс. км от Марса. Вспомним, что Луна удалена от нас на 385 тыс. км, т. е. находится в 40 с лишним раз дальше от Земли, чем Фобос от Марса.

Вся история изучения Фобоса и Деймоса полна удивительных событий и увлекательных загадок. Судите сами: первое упоминание о наличии у Марса двух небольших спутников появилось не в научных трудах, а на страницах знаменитых «Путешествий Гулливера», написанных Джонатаном Свифтом в начале XVIII столетия.

По ходу событий Гулливер оказывается на летучем острове Лапуте. И местные астрономы рассказывают ему, что им удалось открыть два маленьких спутника, обращающихся вокруг Марса.

В действительности же марсианские луны были открыты А. Холлом лишь спустя полтора столетия после выхода романа в свет, во время великого противостояния Марса 1877 г. И открыты при исключительно благоприятных атмосферных условиях после упорных многодневных наблюдений, на пределе возможностей инструмента и человеческого глаза.

Сейчас можно только гадать, что побудило Свифта предсказать существование двух спутников Марса. Во всяком случае, не телескопические наблюдения. Скорее всего Свифт предполагал, что число спутников у планет должно возрастать по мере удаления от Солнца. В то время было известно, что у Венеры спутников нет, вокруг Земли обращается один спутник — Луна, а вокруг Юпитера— четыре, они были открыты Галилеем в 1610 г. Получалась «очевидная» геометрическая прогрессия, в которую на свободное место, соответствующее Марсу, казалось, сама собой просилась двойка.

Впрочем, Свифт предсказал не только существование Фобоса и Деймоса, но и то, что радиус орбиты ближайшего спутника Марса равен трем поперечникам планеты, а внешнего — пяти. Три поперечника — это около 20 тысяч километров. Примерно на таком расстоянии расположена орбита Деймоса. Правда, не внутреннего спутника, как утверждал Свифт, а внешнего — но все равно совпадение впечатляет. Разумеется, именно совпадение…

В очередной раз внимание к марсианским лунам было привлечено во второй половине текущего столетия. Сравнивая результаты наблюдений, проведенных в разные годы, астрономы пришли к заключению, что ближайший спутник Марса Фобос испытывает торможение, благодаря которому постепенно приближается к поверхности планеты. Явление выглядело загадочно. Во всяком случае, — никакими эффектами небесной механики наблюдаемое торможение объяснить не удавалось.

Оставалось одно: предположить, что торможение Фобоса связано с аэродинамическим сопротивлением марсианской атмосферы. Однако, как показывали расчеты, газовая оболочка Марса на высоте 6 тыс. км способна оказывать соответствующее сопротивление только при условии, что средняя плотность вещества Фобоса невелика. Точнее сказать, неправдоподобно мала!

Тогда-то и возникла оригинальная идея: столь небольшую плотность Фобоса можно объяснить его… пустотелостью! Но мы не знаем природных процессов, которые могли бы приводить к образованию пустых внутри небесных тел. Напрашивалась мысль, что Фобос, а возможно и Деймос — искусственные спутники Марса, созданные миллионы лет назад разумными существами, либо населявшими в то время Марс, либо прилетевшими откуда-то из космоса.

Быть может сейчас, когда спутники Марса сфотографированы с близкого расстояния космическими аппаратами и в их естественном происхождении не остается никаких сомнений, об этом не стоило бы и вспоминать. Но эпизод, о котором идет речь, весьма поучителен.

Есть наука — и есть фантастика. Где в этой гипотезе проходит граница между ними? Если в движении Фобоса действительно имеет место торможение, отмеченное наблюдениями, это может означать, что спутник Марса пустотелый. Это — полноправная научная гипотеза. Она исходит из астрономических данных и с помощью соответствующих математических выкладок приводит к определенному выводу. Обычная схема научной гипотезы: «если то — то это». Все же остальное относится к области научной фантастики.

Дальнейшая судьба гипотезы, о которой идет речь, была ясна с самого начала — ее ожидала та же судьба, что и любую другую научную гипотезу. Она должна была либо получить необходимые подтверждения, либо оказаться опровергнутой. Многое зависело от того, насколько точными окажутся данные наблюдений относительно торможения ближайшего спутника Марса. А их надежность внушала опасения — наблюдения велись на пределе точности астрономических инструментов. И эти опасения подтвердились…

Когда в распоряжении исследователей Марса появился новый, более мощный способ исследования планет — автоматические космические станции, все стало на свои места. На космических снимках отчетливо видно, что Фобос и Деймос — огромные глыбы неправильной формы и, конечно, природного происхождения.

Если сопоставить результаты астрономических наблюдений с тем, что сообщили космические станции, вырисовывается такая картина. Спутники Марса — небольшие небесные тела. Размер Фобоса — 27 на 21, Деймоса — 15 на 12 км. Они движутся по почти круговым орбитам, расположенным в плоскости экватора планеты, в направлении ее суточного вращения. Деймос завершает один полный оборот за 30 ч. 18 м., а Фобос — за 7 ч. 39 м. Если учесть, что продолжительность марсианских суток чуть больше 24 1/2 часов, нетрудно сообразить, что Фобос заметно обгоняет суточное вращение планеты. Находясь на поверхности Марса, мы наблюдали бы, как Фобос и Деймос своими большими полуосями всегда направлены к центру Марса. (Вспомним, что таким же образом обращается Луна вокруг Земли — она всегда повернута к нашей планете одной и той же стороной.)

Полет автоматической станции «Викинг-1» впервые позволил оценить массу Фобоса. Когда орбитальный отсек этой станции пролетал на расстоянии 100 километров от спутника Марса, американским ученым удалось определить возмущение траектории его движения, вызванное притяжением Фобоса. Располагая такими данными, вычислить массу возмущающего тела уже не стоит труда. А зная его размеры, можно подсчитать и среднюю плотность. Для Фобоса она оказалась близка к 2 г/см3. Вполне нормальная плотность, примерно такая же, как у ряда каменных метеоритов. И, таким образом, нет нужды в гипотезе о пустотелой структуре спутников Марса.

Теперь ясно, где было слабое звено этой гипотезы — в исходных астрономических данных о движении Фобоса.

Рис. 5. Спутник Марса Фобос.

Зная массу Фобоса, можно вычислить величину силы тяжести на его поверхности. Она меньше земной в 2 тысячи раз. Может сложиться впечатление, что космонавт, оказавшейся на поверхности Фобоса, при малейшем толчке должен улететь в космос. Однако это не совсем так. Как показывают подсчеты, вторая космическая скорость для Фобоса составляет в среднем около 11,7 м/с. Это не так уж мало. Такую скорость на Земле может развить лишь спортсмен при прыжке в высоту на два с половиной метра. А так как мускульные усилия везде остаются одинаковыми, то еще не родился такой человек, который, оттолкнувшись ногами от Фобоса, мог бы безвозвратно его покинуть.

Большой интерес представляют фотографии Фобоса и Деймоса. Они были получены космическими станциями с расстояния всего нескольких десятков километров. На поверхности обоих спутников Марса отчетливо просматривается большое количество кратеров, похожих на лунные. Самый большой кратер на Фобосе достигает в поперечнике 10 км.

Любопытно, что в то время, когда обсуждалась проблема малой плотности Фобоса, было высказано предположение о том, что этот феномен объясняется не пустотелостью, а является результатом обработки его поверхности метеоритами, вследствие чего вещество Фобоса приобрело сильную пористость. А ведь это, между прочим, было тогда, когда еще шел спор о происхождении лунных кратеров — метеоритном или вулканическом. История науки знает и подобные курьезы — когда верные предположения высказываются на основе неправильных данных.

Кроме кратеров, на снимках Фобоса видны почти параллельные борозды шириной до нескольких сотен метров, тянущиеся на большие расстояния. Происхождение этих загадочных полос остается неясным. Возможно, это результат мощного удара крупного метеорита, «потрясшего» Фобос и вызвавшего образование многочисленных трещин. Может быть, таинственные борозды возникли благодаря приливному воздействию Марса. В пользу этого говорит тот факт, что на Деймосе, расположенном на значительно большем расстоянии от Марса, подобные детали не обнаружены. Ведь известно, что гравитационные воздействия ослабевают пропорционально квадрату расстояния.

Что касается происхождения Фобоса и Деймоса, не исключено, что это тела астероидного типа, захваченные Марсом. Может быть, они образовались даже раньше, чем сама планета. В любом случае их дальнейшее изучение представляет интерес для выяснения закономерностей формирования Солнечной системы.

 

Вездесущие кратеры

С тех пор, как начались телескопические наблюдения Луны, одной из наиболее характерных особенностей нашего естественного спутника считалось обилие кольцевых гор — кратеров. Эти кольцевые образования покрывают значительную часть видимой стороны лунного шара, некоторые из них достигают в поперечнике двухсот и даже трехсот километров.

По поводу происхождения лунных кратеров долгое время боролись две точки зрения — метеоритная и вулканическая. Однако для того, чтобы ответить на вопрос, что же в действительности представляют собой кольцевые горы на Луне — кратеры потухших вулканов или воронки, образовавшиеся в результате падения космических тел — метеоритов, в распоряжении исследователей Луны не было достаточного количества необходимых данных. Такие данные появились лишь в результате изучения нашего естественного спутника космическими аппаратами. И эти данные убедительно свидетельствуют в пользу ударного происхождения подавляющего большинства лунных кратеров (хотя и не всех).

В частности, оказалось, что согласно современным оценкам, количество метеоритных тел, бороздивших пространство Солнечной системы в разные эпохи, как раз таково, чтобы объяснить именно то число кратеров, которое фактически существует на различных участках лунной поверхности. Так, например, подсчеты количества кратеров показали, что Луна подвергалась наиболее интенсивной метеоритной бомбардировке на протяжении первого миллиарда лет своего существования. В дальнейшем, по мере исчерпания метеоритного материала в пространстве Солнечной системы, число метеоритных ударов по лунной поверхности резко снизилось. Этим объясняется тот факт, что в лунных морях, которые образовались несколько позже континентальных районов, количество кратеров примерно в тридцать раз меньше.

Любопытно отметить, что в настоящее время интенсивность метеоритной бомбардировки Луны весьма невелика. Согласно имеющимся в распоряжении ученых данным, на площади радиусом окало двухсот километров метеорит с массой около одного килограмма падает, в среднем, приблизительно один раз в месяц.

Сравнительно мало в современную эпоху выпадает на лунную поверхность и микрометеоритов. Однако воздействие микрометеоритных тел на поверхность нашего естественного спутника в масштабах всей Луны за астрономические промежутки времени ощутимо и в современную эпоху. Об этом свидетельствуют микрократеры — микроскопические воронки от ударов мельчайших частиц космического вещества, обнаруженные на зернах лунного грунта в образцах, доставленных на Землю. Примесь метеоритного вещества обнаружена в поверхностном слое лунного грунта везде, где были взяты соответствующие пробы.

Убедительный аргумент в пользу метеоритного происхождения лунных кольцевых гор дает, как ни странно, изучение уже известного нам спутника Марса Фобоса.

Выяснилось любопытное обстоятельство. Как уже говорилось, поверхность Фобоса сплошь усеяна кратерами. И они заведомо ударного происхождения: ведь спутник Марса невелик по размерам — всего около 27 км в длину, и ясно, что ни о каких вулканических процессах в его недрах не может быть и речи. А это, в свою очередь, означает, что и аналогичные кратеры на Луне, скорее всего, также должны иметь метеоритное происхождение, тем более, что кратеры, подобные лунным, в последние годы были обнаружены не только на Фобосе, но и на других телах Солнечной системы, в частности, и на самом Марсе. Как показало космическое фотографирование, многие участки поверхности этой планеты усеяны кратерами, напоминающими лунные.

Большинство этих кратеров образовалось примерно в ту же эпоху, что и кратеры лунных материков, то есть 3,5–4 миллиарда лет назад. Часть из них довольно хорошо сохранилась, некоторые сильно разрушены, а есть и такие, от которых остались лишь едва заметные следы.

Многочисленные метеоритные кратеры были с помощью космических аппаратов обнаружены также и на самой близкой к Солнцу планете Солнечной системы Меркурии. Они покрывают практически всю поверхность этого небесного тела. Наиболее крупные из них имеют в поперечнике несколько десятков километров, наиболее мелкие (которые удалось разглядеть на телевизионных снимках, переданных из космоса) — около пятидесяти метров. В среднем, таким образом, кратеры Меркурия обладают меньшими размерами, чем лунные.

На многих крупных меркурианских кратерах можно обнаружить мелкие кольцевые образования, видимо, более позднего происхождения. Это говорит о том, что на ранней стадии существования Меркурия на его поверхность падали космические глыбы разных размеров, в том числе и весьма крупные, а с течением времени метеоритный материал в космическом пространстве становился все мельче. Справедливость подобного вывода подтверждается и тем, что более поздние по своему происхождению кратеры лунных морей значительно меньше по размерам, чем более древние континентальные кратеры. При этом нелишне отметить, что поверхность Меркурия формировалась приблизительно в ту же эпоху, что и лунные материки, то есть около 4–4,5 млрд, лет назад.

С помощью радиолокационных измерений были обнаружены кратерные образования и на планете Венера. Как известно, поверхность этой планеты в телескопы увидеть нельзя из-за сплошного непрозрачного слоя облачности. Но радиоволны проходят сквозь облачный слой и, отразившись от поверхности планеты, приносят информацию о характере ее рельефа. В результате радионаблюдений в одном из участков экваториальной области Венеры было зарегистрировано свыше десяти кольцевых кратеров диаметром от 35 до 150 км. Был также обнаружен кратер с поперечником около 300 км и глубиной в 1 км. Ему присвоено имя известного физика, одного из пионеров исследования радиоактивности, Лизы Мейтнер.

В отличие от лунных кратеров, а также кратеров Меркурия, венерианские кратеры довольно сильно сглажены.

Кроме того, на Венере была обнаружена похожая на кратер кольцевая структура довольно правильной формы, окруженная сильно разрушенным двойным валом с поперечником около 2600 км. Однако относительно природы этого образования существуют различные точки зрения.

Как известно, Юпитер и Сатурн — это водородно-гелиевые планеты. Однако их многочисленные спутники являются телами земного типа. И как показали космические исследования последних лет, они тоже в свое время подвергались интенсивной метеоритной бомбардировке. Например, следы многочисленных метеоритных ударов видны на поверхности так называемых галилеевых спутников Юпитера Ганимеда и особенно Каллисто.

Рис. 6. Спутник Юпитера Каллисто. (Снимок получен космическим аппаратом «Вояджер-1».).

Оба эти спутника покрыты толстыми ледяными панцирями, поэтому кратерные образования на них имеют значительно более светлую окраску, чем кольцевые структуры на Луне. На снимке Ганимеда хорошо виден также большой темный бассейн диаметром свыше 3000 км. Не исключено, что это «след» столкновения Ганимеда с очень крупным телом типа астероида.

Отчетливые метеоритные кратеры просматриваются и на поверхности некоторых спутников планеты Сатурн.

Так, например, на Мимасе, на стороне, постоянно обращенной к Сатурну, хорошо виден огромный метеоритный кратер, поперечник которого — 130 км — равен одной третьей части поперечника самого Мимаса. Как показывают расчеты, будь удар, вызвавший образование этого кратера, чуть сильнее, и Мимас развалился бы на части. Кратеры покрывают и всю остальную поверхность Мимаса, делая его похожим на Луну. Они меньше по размерам, но зато довольно глубокие.

Есть крупные метеоритные кратеры и на поверхности другого спутника Сатурна — Дионы. Поперечник самого большого — около 100 км. От некоторых из них расходятся светлые лучи, видимо, образовавшиеся в результате выброса материала при ударах крупных метеоритных тел. Не исключено, правда, что лучи, о которых идет речь, представляют собой отложения инея на поверхности Дионы.

Наиболее крупные кратеры обнаружены на спутнике Сатурна Рее. Они достигают 300 км в поперечнике. Многие из, них имеют центральные пики. Вообще, своим внешним видом Рея также весьма напоминает Луну или Меркурий.

Рис. 7. Спутник Сатурна Рея. (Снимок получен космическим аппаратом «Вояджер-1».).

С помощью автоматической межпланетной станции «Вояджер-2», побывавшей в районе Сатурна в конце августа 1981 г., на спутнике этой планеты Тефии был зарегистрирован кратер поперечником около 400–500 км. Специалисты считают, что этот кратер скорее всего образовался в результате столкновения Тефии с массивным телом.

Кратер поперечником около 100 км обнаружен и на поверхности спутника Сатурна Гипериона. Оказалось также, что этот спутник обладает неправильной формой, похожей на картофелину. По мнению ученых, столь необычную форму Гиперион мог приобрести в результате космического столкновения.

Таким образом, образование кратеров в результате падения метеоритных тел — явление, характерное как для планет земной группы, так и для спутников планет-гигантов. Но в таком случае возникает вполне естественный вопрос: почему подобных кольцевых образований нет на нашей планете Земля?

Правда, кольцеобразные воронки, возникшие на месте падения метеоритов на Земле, существуют. Один из таких кратеров находится в США в штате Аризона.

Рис. 8. Аризонский метеоритный кратер.

Его поперечник около 1200 м, а глубина достигает 174 м. Целая группа метеоритных кратеров обнаружена и на острове Сааремаа в Эстонии. Наибольший из них имеет около 110 метров в поперечнике и заполнен водой.

Однако все эти и подобные им кратеры по своим размерам не идут ни в какое сравнение с наиболее крупными аналогичными кольцевыми образованиями, например, на Луне. И до недавнего времени считалось, что на Земле кратеров таких масштабов не существует вообще.

Это обстоятельство представлялось по меньшей мере странным, поскольку Земля формировалась в ту же эпоху, что и соседние с ней небесные тела. Следовательно в отдаленном прошлом на ее поверхность также должны были падать крупные метеориты. Возможное объяснение состояло в том, что за миллионы и миллиарды лет гигантские воронки, образовавшиеся в местах их падения, подвергались воздействию целого ряда природных факторов, совокупность которых характерна именно для Земли: дождя, ветра, сезонных колебаний температуры, различных подвижек земной коры… Кроме того, на Земле существует биосфера, оказывающая весьма существенное преобразующее воздействие на строение поверхностных слоев нашей планеты.

В то же время, геологические структуры, подобные гигантским кольцевым метеоритным кратерам, могли возникать чисто земными путями, не имеющими никакого отношения к падениям космических тел. К числу таких явлений, способных вызвать образование больших круговых впадин, относятся, например, проседания поверхностных слоев в карстовых районах, всплывания ледяных масс в областях вечной мерзлоты, и, в особенности, вулканические процессы.

Можно ли отличить древние гигантские метеоритные кратеры — их называют астроблемами — скажем, от вулканических образований? Такая возможность, в принципе, существует. Дело в том, что вулканические процессы тесно связаны с определенным характером строения земной коры в данном районе, они подготовлены всей предшествующей историей развития того или иного ее участка. Расположение же метеоритных кратеров совершенно случайное, поскольку метеориты с равной степенью вероятности могли падать в любой точке нашей планеты. Иными словами, метеоритные кратеры располагаются вне всякой зависимости от геологических структур.

Так как падения крупных метеоритных тел сопровождаются выделением значительного количества энергии при ударе о земную поверхность, то в метеоритных кратерах, как правило, можно обнаружить сдвиги пород в радиальных направлениях. Кроме того, в результате дробления пород в районе крупных метеоритных кратеров нарушается характерное для данного района расположение магнитных силовых линий.

Наконец, в местах падения гигантских метеоритов обнаруживаются специфические конусовидные образования размером от нескольких сантиметров до нескольких метров, для возникновения которых необходимы сверхвысокие давления. При ударах большой силы происходит также образование особых модификаций кварца, обладающих необычными физическими свойствами.

Чтобы оценить грандиозный характер явлений, возникающих при падении гигантских метеоритов, достаточно сравнить их с таким могучим природным процессом, как извержения вулканов. Во время гигантского взрыва, которым сопровождалось происходившее несколько лет назад извержение вулкана Безымянный на Камчатке, давление в ударной волне составило около 3–5 килобар. Это максимальное давление, которое может вообще развиваться в ходе геологических процессов. А при падении гигантских метеоритов развивается давление до 250 и более килобар.

Таким образом, в принципе имеется возможность отличить древние астроблемы от сходных по форме геологических образований. А это очень важно: выявление метеоритной природы гигантских кольцевых структур представляет не только теоретический, но и большой практический интерес. Если та или иная структура имеет не вулканическое, а метеоритное происхождение, то по-иному будут оцениваться возможности существования в данном районе полезных ископаемых.

В 1970 г. на севере Красноярского края была открыта одна из самых интересных в мире астроблем — Попигайская. Ее поперечник достигает 100 км, а глубина — 200–250 м. Расчеты показывают, что метеорит, породивший такую астроблему, должен был иметь несколько километров в поперечнике. Падение этого космического тела произошло около 40 млн. лет назад. Интересно, что в Попигайской астроблеме характер растительности соответствует зоне лесотундры, в частности, обильно произрастает лиственница. В окрестностях же астроблемы растительность практически отсутствует, даже еще значительно южнее простирается тундра. Возможно, подобное явление объясняется тем, что астроблема образует котловину, лежащую значительно ниже уровня окружающей местности. А может быть, в астроблеме существует интенсивный тепловой поток из земных недр. Окончательный ответ на этот интригующий вопрос могут дать только специальные исследования.

В настоящее время на территории Советского Союза известно несколько десятков древних кольцевых структур (из них около 20 — на территории Казахской ССР). Метеоритное происхождение этих объектов пока находится под сомнением.

Таким образом и Земля, и другие небесные тела планетного типа, входящие в состав Солнечной системы, на определенном этапе своего существования подвергались интенсивной метеоритной бомбардировке. Это еще одно свидетельство в пользу того, что планеты формировались в едином процессе. И еще один вывод, имеющий немаловажное значение для выяснения закономерностей образования и эволюции Солнечной системы: в ее истории был период, когда в околосолнечном пространстве двигалось большое число крупных метеоритных тел.

Дальнейшее изучение метеоритных кратеров позволит глубже заглянуть в историю Земли и Солнечной системы.

 

Кольца планет-гигантов

Среди планет Солнечной системы своим необычным видом выделяется Сатурн. Он окружен удивительным и необычайно красивым образованием — кольцами, состоящими из множества мелких ледяных частиц и ледяных глыб размером до нескольких десятков метров, обращающихся вокруг основного тела планеты.

На протяжении длительного времени кольца Сатурна считались уникальным образованием в семье планет. Однако в 1976 г. с помощью наземных наблюдений несколько колец было обнаружено и вокруг седьмой планеты Солнечной системы Урана. А спустя некоторое время космическая станция «Вояджер-1» зарегистрировала наличие слабого кольца и у планеты Юпитер. Его толщина около 1 км. А образовано оно частицами, поперечник которых заключен в пределах от микрометра до нескольких метров.

Что же касается колец Сатурна, то, исходя из многолетних наблюдений, полученных наземными обсерваториями, астрономы полагали, что их четыре. Кольца обозначили большими буквами латинского алфавита А, В, С и D, начиная от четвертого кольца, которое в свое время считалось самым внешним. Поэтому, когда было обнаружено пятое, еще более удаленное от Сатурна кольцо, ему присвоили индекс Е.

Новая эпоха в Изучении колец была открыта благодаря исследованиям Сатурна с борта американских межпланетных станций «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1979–1981 гг. В частности, «Пионер-11» обнаружил самое дальнее кольцо, обозначенное буквой F, а «Вояджер-1» передал на Землю изображение колец D и Е, существование которых вызывало определенные сомнения. Более того, анализ снимков, полученных с «Вояджера-1,» привел ученых к выводу о возможном существовании еще одного — седьмого кольца.

Рис. 9. Кольца Сатурна. (Снимок получен космическим аппаратом «Вояджер-1».).

Но поистине сенсационным было другое. Оказалось, что — Сатурн окружен не шестью-семью широкими кольцами, а несколькими сотнями концентрических узких колец По оценкам специалистов их число составляет от 500 до 1000! На фотографиях «Вояджера-2» видно, что эти узкие кольца в свою очередь распадаются на еще более тонкие «колечки» или «пряди». Не менее удивительно и то, что далеко не все узкие кольца обладают правильной формой. Так, например, ширина одного из них изменяется от 25 до 80 км.

Чем объяснить подобную структуру колец? Наиболее интересным представляется предположение, согласно которому расслоение колец на многочисленные нити происходит благодаря гравитационному воздействию спутников Сатурна, в том числе и малых, открытых в самое последнее время с помощью космических аппаратов.

Обращает на себя внимание и сравнительно небольшая ширина кольца F. Скорее всего она также объясняется влиянием двух ранее неизвестных небольших спутников Сатурна с поперечниками около 200 км. Один из них расположен у внешнего края кольца F, другой — у внутреннего. Как показывают расчеты, эти спутники своим воздействием «загоняют» частицы внутрь кольца. В связи с этим их образно назвали «пастухами» — они как бы сторожат структуру кольца.

Еще одна удивительная особенность колец Сатурна — «спицы», странные образования, тянущиеся через кольца в радиальных направлениях на расстояние нескольких тысяч километров. Подобно спицам колеса, они вращаются вокруг планеты и прослеживаются на протяжении нескольких оборотов. Но если бы «спицы» являлись составной частью колец, то они должны были бы быстро разрушаться, так как частицы колец, расположенные на разных расстояниях от планеты, движутся с различными угловыми скоростями. Тщательный анализ фотографий, переданных космическими станциями, показал, что время полного оборота «спиц» в точности соответствует периоду осевого вращения самого Сатурна. В связи с этим высказано предположение, что «спицы» образованы мелкими частицами, расположенными над плоскостью колец и удерживаемыми электростатическими силами. А их вращение объясняется тем, что они увлекаются магнитным полем Сатурна.

И еще одна загадка: в кольце F были обнаружены утолщения и даже переплетения отдельных нитей. Явление труднообъяснимое с точки зрения законов обычной механики! Скорее всего оно также связано с электромагнитными воздействиями.

Открытие колец Юпитера и Урана говорит о том, что существование подобных структур закономерно для планет-гигантов. Судя по всему, их образование является результатом незавершившегося процесса формирования спутников планеты из частиц допланетного облака на близком расстоянии от нее. Впрочем, существуют и другие предположения.

 

Вулканы Солнечной системы

Для современной астрономии характерно широкое применение «принципа сравнения». Если мы хотим изучить закономерности развития и строения какого-либо космического объекта, то один из весьма эффективных методов решения этой задачи состоит в том, чтобы отыскать во Вселенной другие подобные же объекты и постараться выявить их сходство и различие с объектом, интересующим нас. Обнаружив причины этого сходства и этого различия, мы значительно продвинемся в решении поставленной задачи.

Сходство указывает на общность причин, определенных факторов, оказывавших влияние на эволюцию изучаемых объектов, различие — помогает отыскать те обстоятельства, которые предопределили разные пути их развития.

Вполне естественно, что при изучении даже самых отвлеченных научных проблем конечной целью исследований является применение новых знаний в человеческой практике. Такая направленность обусловлена социальной природой науки, как одной из форм человеческой деятельности. Не составляет исключения и астрономия. Изучая космические явления, астрономы думают, прежде всего, о Земле. В особенности это относится к исследованиям других планет Солнечной системы, позволяющим лучше познать наш собственный космический дом. Одной из важных задач такого рода является изучение вулканизма.

Вулканические процессы представляют собой одно из характерных проявлений внутренней жизни нашей планеты, отзвуки которого оказывают существенное влияние на многие геофизические процессы. О масштабах земного вулканизма говорит хотя бы тот факт, что на Земле насчитывается около 540 действующих вулканов, т. е. таких вулканов, которые хотя бы однажды извергались на памяти человечества. Из них 360 находится в так называемом Огненном поясе вокруг Тихого океана и 68 на Камчатке и Курильских островах.

Еще больше вулканов, как выяснилось в последние годы, расположено на дне океанов. Только в центральной части Тихого океана их не меньше 200 тысяч.

Во время одного только среднего по мощности вулканического извержения выделяется энергия, сравнимая с энергией 400 тысяч тонн условного топлива. Если же сравнить вулканическую энергию с энергией, заключенной в каменном угле, то при крупных извержениях их «угольный эквивалент» достигает 5 млн. тонн.

Множество твердых частиц выбрасывается из недр Земли во время извержений. Они поступают в атмосферу и, рассеивая солнечные лучи, оказывают заметное влияние на количество тепла, приходящее на Землю. В частности, имеются данные, свидетельствующие о том, что некоторым периодам длительного похолодания в истории нашей планеты предшествовала сильная вулканическая активность. Современная наука располагает многочисленными данными, свидетельствующими о том, что вулканические явления происходят не только на Земле, но и на других небесных телах планетного типа, сходных с Землей по своей природе и строению.

Ближайшее к нам небесное тело — Луна и, судя по всему, условия ее формирования были близки к условиям формирования нашей собственной планеты. Поэтому сравнение с Луной представляет особенно большой интерес.

Как известно, в результате изучения Луны космическими аппаратами выяснилось, что подавляющее большинство лунных кольцевых гор-кратеров имеют ударное, метеоритное происхождение. Но тем не менее на поверхности нашего естественного спутника обнаруживаются и явные следы вулканической деятельности. Так, например, на Луне широко распространены базальты вулканического происхождения, встречаются и выходы застывшей лавы. Есть также основания предполагать, что концентрации масс — «масконы», обнаруженные с помощью искусственных спутников Луны под дном некоторых лунных морей, представляют собой не что иное, как застывшие лавовые пробки.

Существуют на поверхности Луны и такие образования, которые, возможно, связаны с вулканическими процессами еще более тесным образом. Речь идет о так называемых куполах — своеобразных круглых пологих вздутиях, на вершине которых иногда располагается образование, напоминающее вулканическую кальдеру (область обрушения вокруг кратера). Интересно, что подобные образования встречаются в довольно большом количестве и на Земле. Это — лакколиты, поднятия земной коры, возникшие в результате деятельности вулканических очагов. К их числу относятся, например, некоторые горы Северного Кавказа, которые большинство читателей наверняка хорошо знает, — Машук, Бештау, Змейка…

Вообще же в формировании лунного рельефа принимали участие как внешние — экзогенные процессы, так и внутренние — эндогенные. Примером совместного действия этих факторов является образование круглых морей. Согласно имеющимся в распоряжении исследователей Луны данным происходило это приблизительно так. В результате удара крупного метеоритного тела возникала воронка глубиной в несколько десятков километров. С течением времени за счет упругости лунной коры дно воронки постепенно выпрямлялось, а примерно через 500 миллионов лет происходил прорыв лавы с глубины около 200 км. Заполняя дно воронки и застывая, лава образовывала ровную поверхность. Примерно таким же образом происходило формирование лунных кратеров с плоским дном, так называемых затопленных кратеров.

Ко всему этому можно добавить, что изучение снимков лунной поверхности, полученных с борта искусственных спутников Луны, показало, что в целом ряде мест на лунной поверхности имеются застывшие лавовые потоки и озера. Как считают специалисты, активные вулканические процессы происходили на Луне в основном в первые полтора миллиарда лет после ее образования. В пользу такого предположения говорят измерения возраста образцов лунного грунта, содержащих вулканические породы. Возраст этот оказался не менее 3 миллиардов лет.

Явные следы вулканической деятельности можно обнаружить и на космических фотографиях Меркурия — ближайшей к Солнцу планеты. Поверхность Меркурия почти сплошь покрыта огромным количеством кратеров. И хотя сами эти кратеры, как и лунные — ударного происхождения, на дне некоторых из них хорошо заметны следы излияния лавы.

Есть также ряд данных, которые говорят в пользу предположения о том, что на Венере вулканическая активность продолжается до настоящего времени. Как известно, температура поверхности этой планеты приближается к 500° Цельсия. Видимо, столь высокая температура объясняется, прежде всего, действием парникового эффекта, благодаря которому в нижних слоях венерианской атмосферы аккумулируется тепло, поступающее от Солнца. Но не исключено, что определенный вклад в эту температуру вносят и вулканические процессы, в частности, излияние на поверхность масс горячей лавы. Возможно, с вулканическими выбросами связано и значительное количество твердых частиц, которые, согласно некоторым данным, присутствуют в газовой оболочке Венеры.

Следует также отметить большое количество углекислого газа (97 %) в атмосфере этой планеты. А как известно, выделение углекислого газа — характерная черта вулканических явлений.

Мы пока не знаем, какова природа кратеров на Венере, — вулканическая или метеоритная. Зато обнаружены три «светлых» пятна, т. е. области, лучше отражающие радиоволны.

Одна из них достигает 400 километров в поперечнике. По мнению специалистов, пятна, о которых идет речь, — это образования, сформированные лавовыми потоками.

В районе горного массива Максвелл, на вершине самой высокой на Венере горы расположена 100-километровая кальдера — вероятнее всего вулканического происхождения.

А над областью, обозначенной греческой буквой «Бета», зарегистрировано значительное возмущение гравитационного поля — явление, которое в земных условиях отмечается над районами расположения молодых (хотя и не обязательно действующих) вулканов. Предполагается также, что многочисленные лучи, расходящиеся в разные стороны от Беты, — это застывшие потоки лавы. Видимо, Бета — щитовой вулкан с поперечником основания около 800 км и 80-километровой кальдерой на вершине.

В пользу предположения о вулканических явлениях, происходящих на Венере в настоящее время, свидетельствуют многочисленные электрические разряды типа молний, зарегистрированные советскими станциями «Венера-11, 12 и 13» в районе некоторых венерианских гор. Подобные явления не раз отмечались и при извержении земных вулканов.

Обращают на себя внимание и огромные скорости движения газовых масс в атмосфере Венеры. При сравнительно медленном собственном вращении планеты (один оборот вокруг оси в течение 243 земных суток), скорость атмосферной циркуляции достигает 4–5 суток. Но подобные ураганные скорости должны быть связаны с затратами колоссальных количеств энергии. Возможно, что эта энергия поступает не только от Солнца, но также из недр планеты.

Анализ новых данных о Марсе, полученных главным образом с помощью космических аппаратов, показал, что и на этой планете весьма существенную роль в формировании рельефа играли вулканические процессы. Так, некоторые марсианские кратеры обладают центральными горками с темной точкой на вершине. Не исключено, что это — потухшие вулканы.

Есть на Марсе и горы, относительно вулканической природы которых нет никаких сомнений, например, гора Олимп высотою около 24 км. Для сравнения достаточно напомнить, что высочайшая горная вершина Земли Эверест не достигает и 9 км. Когда в 1971 г. на Марсе бушевала сильнейшая пылевая буря, конус Олимпа возвышался над пылевой пеленой.

В том же районе расположено еще три гигантских потухших вулкана, высота которых лишь чуть меньше. Согласно оценкам специалистов, извержения этой группы вулканов происходили десятки или сотни миллионов лет назад. Они сопровождались выбросом огромных количеств пепла, вероятно, покрывающего в настоящее время многие равнинные области планеты. Наличие на Марсе столь высоких гор вулканического происхождения свидетельствует о большой мощи вулканических процессов, благодаря которым на поверхность планеты изливались огромные массы вещества.

Пожалуй, одним из самых интересных открытий, сделанных с помощью космических аппаратов, явилось обнаружение на спутнике Юпитера Ио 8–9 действующих вулканов. Они выбрасывают пыль и раскаленные газы на высоту до 200 км.

Рис. 10. Извержение вулкана на спутнике Юпитера Ио. (Снимок получен космическим аппаратом «Вояджер-1».).

Вулканические процессы, происходящие на Земле, связаны с разогревом земных недр главным образом за счет распада радиоактивных элементов. Что же касается Ио, то здесь источником разогрева, по-видимому, служат приливные возмущения со стороны соседних спутников Юпитера в его мощном гравитационном поле.

Несомненный интерес представляет тот факт, что хотя между фотографированием Ио станциями «Вояджер-1» и «Вояджер-2» прошло несколько месяцев, шесть из обнаруженных действующих вулканов продолжали извергаться. Чем объяснить столь большую длительность извержений? Интересную гипотезу выдвинул советский астроном Г. А. Лейкин.

Если Ио обладает собственным магнитным полем, не исключено, что на его поверхность происходит высыпание частиц из радиационных поясов Юпитера. Вполне возможно также, что в районах вулканических извержений существуют магнитные аномалии, способствующие концентрации таких частиц именно в этих местах. Под их воздействием может происходить испарение вещества поверхности, способствующее вулканическим явлениям.

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.

 

«Этюдное решение» (научная фантастика)

Транспортный звездолет «Омикрон» совершал очередной рейс к Мегосу, имея на борту двенадцать человек экипажа и 360 пассажиров. Капитан Менг и штурман Гасконди молча смотрели на табло и оба отчетливо понимали, что положение безнадежное… Ошибка произошла в момент выхода из гиперпространства. Что-то не сработало в сложном хозяйстве автоматического управления кораблем. Ничтожное отклонение от программы, малозаметная флуктуация, впрочем ее оказалось достаточно, чтобы звездолет оказался в пяти парсеках от расчетной точки… А здесь его поджидал белый карлик — маленькая звездочка с огромной плотностью и могучим тяготением.

Были включены на полную мощность все двигатели. Это лишь спасло «Омикрон» от падения в пылающую бездну, но было недостаточно, чтобы разорвать цепи притяжения. Теперь корабль двигался вокруг карлика по замкнутой орбите на среднем расстоянии около 20 тысяч километров от центра звезды и всей мощи его двигателей не хватало, чтобы вырваться из плена. К тому же, расчетное время истекало и запасы энергии, необходимой для поддержания защитного поля, противостоящего испепеляющему жару звезды, подходили к концу.

— Сколько? — резко спросил Менг, не отрывая глаз от табло, где маленькая красная точка прочерчивала аккуратный эллипс вокруг звезды.

Штурман, давно привыкший с полуслова понимать своего командира, быстро нажал несколько клавиш на пульте вычислителя.

— Шесть с половиной часов… Может быть, пошлем SOS?

Карлик был слишком близко. И хотя звездолет охраняло защитное поле, Менг почти физически ощутил горячее дыхание звезды. Пока охраняло… Но через шесть с половиной часов энергия иссякнет и тогда…

— Нельзя ли ослабить защиту? — спросил Менг.

— Поле и так минимальное, — коротко отозвался Гасконди. — Так как насчет SOS?

Менг, не отвечая, опустился в свое кресло и закрыл глаза. Сейчас ему предстояло решить задачу, непосильную даже самому совершенному вычислительному устройству…

Разумеется, в сложившейся ситуации он обязан был дать SOS. Этого требовал «Космический устав». Но Менг точно знал, что в их секторе сейчас нет ни одного корабля, способного оказать помощь «Омикрону». Ближайшая станция находилась на Мегосе, а звездолет от него на таком расстоянии, которое обычная радиограмма преодолеет лишь за многие месяцы. Чтобы сигнал бедствия дошел вовремя, надо было посылать его через гиперпространство. Подобная радиопередача требовала слишком большого расхода энергии. А энергия нужна для защиты от белого карлика: она давала «Омикрону» лишние секунды и минуты.

И все же Менг решился бы на гиперпространственную радиопередачу, если бы была хоть малейшая надежда. В галактическом флоте насчитывается всего три или четыре корабля, способных в такой ситуации приблизиться к «Омикрону», чтобы пополнить запасы его энергии или взять на буксир, и при этом не попасть самим в гравитационную ловушку. Но Менг хорошо знал, что все они сейчас находятся в дальних секторах и ни при каких обстоятельствах не успеют подойти к нему вовремя…

— Мы можем выиграть немного времени, — сказал Гасконди. — Минут тридцать…

Капитан вопросительно посмотрел на штурмана.

— Если снять искусственную тяжесть, — пояснил Гасконди.

— Нет, — решительно сказал Менг. — Среди пассажиров есть женщины и дети…

Вот еще одна проблема, которую никто не может решить, кроме командира корабля. Пассажиры!.. Сейчас они спокойно отдыхают в своих каютах, в полной уверенности, что через пару суток благополучно прибудут к месту назначения. И никто из них даже не подозревает, что всего шесть с половиной часов отделяют корабль от неизбежной катастрофы… Должен ли он оповестить пассажиров о случившемся? Или оставить их в счастливом неведении до самого конца?

За свою долгую космическую службу капитан Менг не раз попадал в критические положения. Но это были ситуации, из которых существовал выход. Тогда все решали опыт и находчивость командира, — требовалось в считанные секунды найти оптимальное решение. И до сих пор Менг всегда его находил.

Но сейчас выхода не было. Об этом неумолимо свидетельствовал несложный расчет, который мог бы произвести любой студент. И от капитана Менга уже ничего не зависело. Он мог применять какие угодно средства, но, исход все равно оставался один.

А это означало, что им следовало покориться своей участи и безропотно ждать, пока испепеляющее дыхание звезды не превратит «Омикрон» в сверкающую вспышку.

Сдаться без борьбы?.. Ничего подобного у Менга еще не было. «Но такое и случается только один раз», — горько усмехнулся про себя Менг.

Нет, все равно надо бороться. Не сдаваться ни при каких обстоятельствах. Даже, если ситуация кажется безнадежной.

— Ты просчитал все возможности? — спросил он, посмотрев на штурмана.

Гасконди медленно повернул голову. Впервые с того момента, как табло сообщало о близкой катастрофе, они взглянули друг другу в глаза. Гасконди пожал плечами:

— Сам ведь знаешь…

— И все же надо еще раз проверить все варианты.

— Но это же элементарный случай! — взорвался Гасконди. — Какие могут быть варианты?..

Капитан Менг понимал это ничуть не хуже своего штурмана. Классическая ситуация, которую исследовали вдоль и поперек еще на заре космических полетов и которой много лет уже никто не интересовался. Новейшие средства навигации избавили космонавтов от подобной угрозы. По крайней мере, за последние пятьдесят лет в гравитационные ловушки не попадал ни один корабль. И только «Омикрону» не повезло…

Но, может быть, именно в этом и заключен их единственный шанс? В том, что теоретически этой проблемой давно не занимались. А наука ведь не стоит на месте. И если еще раз взглянуть на безвыходную ситуацию, в которой они оказались, с позиций современного знания, возможно, и отыщется вариант, не учтенный классической навигацией.

Во всяком случае, искать надо. Но как убедить Гасконди? Штурман он отличный и работает безошибочно. Менг не помнил случая, чтобы Гасконди хоть в чем-то отклонился от «Инструкции». Но в этом было и его уязвимое место. Тому, кто совершает ошибки и умеет их исправлять, волей-неволей приходится действовать в непредусмотренных ситуациях. Гасконди же поклонялся одному непогрешимому и всемогущему богу — «Инструкции».

«Увы, его мозг, — с сожалением подумал капитан — не запрограммирован на открытие нового…» — И еще с сожалением подумал о том, что всегда больше увлекался инженерной стороной дела, а теории движения космических кораблей уделял значительно меньше внимания. Основы, разумеется, он знал достаточно хорошо и при случае вполне мог бы заменить Гасконди, но сейчас этих знаний было недостаточно…

— Предлагаешь ждать? — спросил Менг, отвернувшись. — Вот так сидеть и ждать, пока не кончится?..

— Я предлагаю послать SOS, — угрюмо повторил штурман. — Как того требует «Инструкция».

— Нет, — отрезал Менг. — Сообщить о своей гибели мы еще успеем. А пока мы с тобой обязаны что-то предпринять… Даже вопреки всем инструкциям.

Гасконди обиженно поджал губы.

— Хотел бы я посмотреть…

Менг встал и подошел к штурманскому креслу:

— Подумаем вместе. А что, если…

Они не заметили, как в рубку вошел Верин, и увидели его, когда он уже стоял возле главного пульта, вглядываясь в табло.

Вообще-то, заходить в командную рубку пассажирам воспрещалось самым строжайшим образом. Но Верин был не просто пассажиром. В основе конструкции «Омикрона» лежала созданная им физическая теория. Верину принадлежало бесчисленное множество оригинальных идей, оказавших заметное влияние на развитие физики и астрофизики. В университете Мегоса он собирался прочитать курс лекций по теории гиперпространства.

Но все же на «Омикроне» Верин летел как пассажир, и Менг с тревогой подумал о том, что их бедственное положение теперь перестало быть секретом.

— Любопытная ситуация, не правда ли?

В создавшемся положении эти слова прозвучали довольно странно, да и произнесены они были с каким-то неуловимым оттенком не то сарказма, не то непонятного удовлетворения.

Гасконди только пожал плечами.

— Не хватает мощности, да? — спросил Верин, оторвавшись наконец от табло.

— Как видите, — не слишком вежливо буркнул Гасконди.

— И тепловая защита иссякнет через несколько часов?

— Через шесть с половиной, — машинально ответил Менг.

— Так, — неопределенно протянул теоретик. — М-м, так…

В его глубоко посаженных глазах вспыхнули азартные искорки, и в этот момент он невольно напомнил Менгу охотника, неожиданно увидевшего редкую дичь. Казалось, Верина совсем не интересовало, что дичью-то в сложившейся ситуации был как раз он сам… Взгляд его погас и устремился вдаль, словно Верин сквозь непрозрачную стенку звездолета всматривался во что-то скрытое в глубине космоса и доступное ему одному.

«Недаром говорят, — подумал Менг, — что он живет только наукой».

Но Верин жил не только наукой. Увидев табло, он прежде всего подумал о своей старой матери, оставшейся на Земле. О том, как тяжело она будет переживать гибель сына… И через мгновение его изобретательный ум стал искать выход. Верин привычным усилием воли отбросил все, кроме условий необычной задачи, поставленной нелепым стечением обстоятельств. Задачи, которая согласно всем существующим канонам не имела положительного решения. Но Верин всю свою жизнь решал именно такие задачи…

— Могу я воспользоваться вашим вычислителем? — спросил он, на секунду выйдя из задумчивости.

— Но ведь, все равно… — начал было Гасконди.

Менг молча положил руку ему на плечо.

Однако Верин, казалось, не обратил на этот маленький инцидент никакого внимания. Не теряя времени, он подошел к пульту и стал одну за другой быстро нажимать клавиши, то и дело поглядывая на выходное устройство.

Менг попытался уследить за его выкладками, но очень быстро потерял нить. Он успел лишь понять, что расчеты Верина к их ситуации прямого отношения не имеют.

«Странно мы все-таки себя ведем, нелепо, — вдруг подумал Менг. — Нам осталось существовать всего шесть часов, а Гасконди печется об инструкциях, Верин увлекся какой-то теоретической задачей, а я спокойно за ними наблюдаю, как будто ничего не произошло… А может быть, все дело в том, что ценность времени относительна — и шесть часов, если это шесть часов до конца, — совсем не так уж мало?»

Теоретик неожиданно оторвался от пульта и, взглянув на штурмана, спросил:

— Вы считаете задачу неразрешимой?

Самолюбивый Гасконди пристально всматривался в Верина: нет ли подвоха?..

— Случай элементарный, — произнес он, наконец, глядя куда-то в сторону. — Две силы: притяжение карлика и наша тяга… Тут все ясно. Чтобы развить вторую космическую, тяги явно не хватит.

— М-да, — пробурчал Верин. — Возможность решения задачи зависит от того, как она сформулирована. В вашей постановке эта задача, — он кивнул на табло, — действительно неразрешима.

— Увы, не я эту задачу поставил, — возразил было Гасконди.

Однако Верин его уже не слышал… Он снова задумался, мгновенно отключившись от окружающего…

И в этот момент у Менга впервые шевельнулась надежда. Он лучше, чем кто-либо другой, понимал, что спасти их сейчас может только чудо. А так как чудес не бывает, необходимо какое-то сверхоригинальное, неожиданное, из ряда вон выходящее решение. И если вообще можно было ожидать от кого-либо чего-то подобного, то именно от Верина.

Капитан с уважением посмотрел на теоретика. Кто бы мог подумать? Маленький, щупленький, с заостренным носом — вовсе не титан. Как ему удается видеть то, чего не могут разглядеть другие?

— Вы знаете анекдот о собаке? — вдруг спросил Верин.

И так как оба космонавта молчали, продолжал:

— Представьте себе, — сказал один физик другому, — что собаке привязали к хвосту металлическую сковородку. Если собака побежит, сковородка будет стучать о мостовую. С какой скоростью должна бежать собака, чтобы не слышать звука?.. И, как это ни странно, тот другой физик не мог найти ответа на этот вопрос…

— А вы как думаете, с какой скоростью должна бежать собака? — неожиданно спросил Верин, и, загадочно улыбаясь, в упор посмотрел на Гасконди.

— Не знаю, — глухо пробормотал штурман и умоляюще взглянул на Менга. Было заметно, что он с трудом сдерживается…

Но, встретив напряженный взгляд капитана, Гасконди весь как-то сжался и, скрипнув зубами, нехотя выдавил:

— Судя по всему, она должна бежать со сверхзвуковой скоростью…

— Вот, вот, — захохотал Верин. — Именно так предположил и тот физик… А верный-то ответ абсолютно прост: скорость собаки должна равняться нулю… Элементарно… Но все дело в том, что задача была сформулирована так: какова должна быть скорость? Скорость… Вот в этом-то весь и фокус. Даже физики иногда забывают, что скорость, равная нулю, тоже скорость…

Прямолинейный и бесхитростный Гасконди смотрел на Верина широко раскрытыми глазами. Да и Менгу стало как-то не по себе, хотя он отлично понимал, что этот анекдот сейчас понадобился теоретику уж, конечно, не для развлечения, а как своеобразная передышка. Сейчас работало подсознание, а сознанию надо было дать отдых.

«Впрочем, — подумал Менг, — должно быть неспроста ему пришел в голову именно этот анекдот… Может быть, он все-таки что-то уже нащупал?..»

И, словно подтверждая его оптимистическое предположение, Верин вновь уткнулся в пульт и, смешно, по-детски поджав губы, начал виртуозно играть на клавиатуре.

Менг и Гасконди молча ждали. Наконец, Верин оторвался от клавишей и вздохнул не то облегченно, не то разочарованно, но в его прищуренных серых глазах снова заблестели беззаботные искорки.

— Вы играете в шахматы? — осведомился он будничным голосом.

— Да, — сказал Менг.

— Знаете, что такое этюдное решение? Позиция начисто проиграна, однако есть ход, казалось бы, ускоренно ведущий к поражению. Но именно этот странный ход приносит победу…

Теперь Менг точно знал, что Верин нашел-таки выход.

— И что же? — спросил он, не в силах сдержать нетерпение.

Верин внимательно посмотрел на капитана.

— Мы должны сделать этюдный ход, — произнес он медленно, как бы еще раз что-то взвешивая.

В рубке воцарилось молчание. Капитан стоял неподвижно, сжимая спинку своего кресла.

— Необходимо включить тягу, — сказал Верин. Он быстро набросал на листе несколько цифр и протянул бумажку Менгу.

— Но, — пробормотал смятенно Гасконди, — ведь это же все равно ничего не даст. Разве что сделает орбиту более вытянутой.

— Вот, вот, — сказал Верин.

— Но тяга съест всю энергию. А, следовательно, тепловая защита…

— Подожди, — оборвал Менг. «Не все ли равно, — подумал он, — через шесть часов или через три…»

Но в душе капитан Менг доверял Верину. Без колебаний он протянул руку к главному пульту и один за другим перевел на несколько делений четыре красных рычага.

Гасконди побледнел.

Послышалось характерное жужжание двигателей, щелкнули реле противоперегрузочной защиты.

— Может быть, теперь вы объясните? — попросил Менг.

— Если я не ошибаюсь, — медленно начал Верин, — «Омикрон» состоит из двух обособленных частей?

— Да, — подтвердил Менг. — В одной — командный комплекс и двигатели, в другой — каюты и подсобные помещения.

— И эти части можно отделить и отвести друг от друга на значительное расстояние?

— Да, такая возможность предусмотрена на случай аварии или ремонта силовых установок. Обе части разводятся и сводятся с помощью специального «пульсатора».

— А каково максимальное расстояние между ними?

— Сто пятьдесят километров.

— Достаточно и ста сорока, — пробормотал Верин.

— Вы хотите избавиться от пассажирского отсека? — наконец заговорил Гасконди. — Но тяги все равно не хватит.

— Нет, — энергично возразил Верин. — Это было бы слишком просто. Карлик нас так легко не отпустит… Тут совсем другая идея.

— Мы теряем время, — вмешался Менг. — Может быть…

— О! Времени у нас вполне достаточно, — невозмутимо сказал Верин. — Так вот… вам, конечно, знакома идея пульсирующего космолета?

Гасконди и Менг недоуменно переглянулись.

— Да, — заметил Верин. — Это очень старая и давно забытая идея…

— Смутно я что-то припоминаю, — медленно произнес Менг. — Встречал в старых учебниках… Если не ошибаюсь, дело в том, что космический корабль — не точка, и его масса распределена по некоторому объему.

— Вот, вот, — оживился Верин, — если разделить наш звездолет на две части, то равнодействующая сил тяготения, к ним приложенных, окажется меньше той силы, которая действует на «Омикрон» сейчас.

Он говорил четко и ясно, словно читал лекцию студентам.

— А это значит, — подхватил Менг, — что на растянутый звездолет действует сила отталкивания?

— И если в апогее соединять обе части, а в перигее — разъединять, то «Омикрон» сойдет с кеплеровской орбиты и начнет двигаться по раскручивающейся спирали.

— М-да… — протянул Менг.

— Я тоже вспомнил, — неожиданно заговорил Гасконди возбужденно. — Чудесно, превосходно, гениально!.. — Он нервно расхохотался. — Но насколько я помню, чтобы преодолеть таким способом даже земное притяжение, кораблю необходимо несколько лет. А притяжение карлика?..

— В том-то вся и штука, — невозмутимо произнес Верин. «Удивительно, — подумал капитан, — как этому хрупкому человечку удается сохранять полнейшее спокойствие в такой сложной ситуации? Должно быть, он умеет видеть намного дальше других…»

— В том-то вся и штука, — повторил Верин. — Притяжение в данном случае работает на нас. Чем массивнее звезда или планета, тем скорее будет достигнута скорость освобождения. В том-то и парадокс!

— Сколько же часов нам потребуется? — спросил Менг.

— Думаю…часа полтора, не больше.

— Вы гений, — улыбнулся капитан и занял место у пульта.

— Надо только выбрать оптимальные моменты для разделения и сближения, — предупредил Верин.

— Понимаю, — отозвался Менг, нажимая клавиши вычислителя. — Приступаю к операции через шесть минут…

Это было невиданное зрелище. Гигантский звездолет как бы распался на две части. Они то расходились, отделяясь друг от друга, то снова сближались, объединяясь в единое целое. И в процессе этого небывалого «космического танца» смертельная орбита, по которой двигался «Омикрон», стала постепенно раскручиваться.

Могучая стихия тяготения, подчинившись силе человеческого разума, уверенно уводила звездолет все дальше и дальше от грозной звезды.

 

Притяжение против… притяжения

Авторы научно-фантастических романов охотно пользуются всевозможными экранами, способными защитить от действия сил тяготения. Увы, в действительности подобных экранов пока не существует, и для того, чтобы преодолеть силу притяжения Земли, космический корабль должен разгоняться с помощью ракетного двигателя. А нельзя ли воспользоваться для этого не двигателем, а… земным притяжением?

Казалось бы, странно: ведь именно тяготение Земли не дает космическому кораблю умчаться в мировое пространство… Но, как ни парадоксально, по крайней мере в одном случае такой вариант возможен. Это было показано советскими учеными В. В. Белецким и М. Е. Гиверцем.

Дело в том, что во всех расчетах, связанных с движением космических кораблей, их обычно принимают за материальную точку. И вполне обоснованно: ведь размеры корабля ничтожны в сравнении с размерами небесных тел.

Но если говорить строго, то корабль все же не точка, а протяженное тело, обладающее вполне определенными размерами и формой. И потому фактическая сила притяжения, действующая на него со стороны Земли, несколько отличается от той силы, которая действовала бы на него в том случае, если бы вся масса корабля была сосредоточена в одной точке. Правда, для обычных кораблей и спутников разница настолько невелика, что на нее можно совершенно спокойно не обращать внимания.

Но при одном условии эта разница может сделаться достаточно ощутимой: если космический корабль обладает значительной длиной.

Рассмотрим, например, корабль, состоящий из двух шаров, соединенных стержнем или тросом, перпендикулярным к продолжению радиуса Земли. В таком случае на каждый из шаров действует сила притяжения, направленная под углом к соединительному стержню. Равнодействующую этих сил нетрудно определить по правилу параллелограмма. Сравнительно несложный расчет показывает, что эта равнодействующая несколько меньше той силы тяготения, которая действовала бы на центр стержня, если бы в нем была сосредоточена вся масса необычного корабля.

Иными словами, получается, что «растягивание» космического корабля равносильно появлению некоторой отталкивающей радиальной силы. Следовательно, его движение вокруг Земли будет происходить по орбите, несколько отличающейся от обычной, «кеплеровской» орбиты.

Этим обстоятельством можно остроумно воспользоваться. Поступим так. Изберем такую конструкцию нашего корабля, чтобы шары можно было достаточно быстро подтягивать друг к другу и вновь разводить на большое расстояние.

В тот момент, когда корабль достигнет наиболее удаленной точки орбиты — апогея, соединим шары. С этого момента корабль превращается практически в «материальную точку», и его дальнейшее движение будет происходить уже по «кеплеровской» орбите.

В перигее осуществим обратную операцию — разведем шары на прежнее расстояние. Тогда появится упомянутая выше «отталкивающая сила». Орбита дальнейшего движения окажется несколько более вытянутой, чем соответствующая «кеплеровская».

В результате на втором витке апогейное расстояние окажется несколько большим, чем на первом.

Повторим всю операцию еще раз и снова увеличим апогейное расстояние. Применяя такую же тактику и в дальнейшем, мы заставим наш корабль-спутник двигаться по раскручивающейся спирали до тех пор, пока он не уйдет из поля тяготения Земли.

Но теоретические возможности отнюдь не всегда согласуются с практическими. Сколько же времени понадобится на разгон этим своеобразным методом «пульсаций»?

Согласно подсчетам В. В. Белецкого, в том случае, когда корабль длиной в 140 км начинает движение на расстоянии 2 тыс. км от центра Земли, на разгон описанным выше способом уйдет около двух лет.

80 лет понадобится такому же кораблю, чтобы уйти из сферы притяжения Солнца при начальном расстоянии около 700 тыс. км от центра дневного светила.

Но вот еще один парадокс. Чем больше масса небесного тела и чем ближе к нему космический корабль, тем быстрее можно «разорвать» цепи тяготения с помощью метода «пульсаций».

На страницах фантастических романов нередко встречаются трагические ситуации, когда космический корабль оказывается в плену у какой-нибудь массивной звезды. Расчеты Белецкого показывают, что в том случае, когда корабль движется вокруг такой звезды, он может весьма быстро набрать вторую космическую скорость, если применить метод пульсаций. Так, находясь на расстоянии двадцати тысяч километров от центра известной сверхплотной звезды — белого карлика Сириус В, космический корабль мог бы уйти по раскручивающейся спирали в космос всего за полтора часа.

Другое дело, в какой степени подобный проект осуществим на практике — возможно ли создать пульсирующий космический корабль? Но это дело техники будущего. Во всяком случае, принципиальная теоретическая возможность существует.

 

«Странное совпадение»

Есть в Солнечной системе одна любопытная закономерность… Мы уже упоминали о том, что Луна всегда повернута к Земле одной стороной. Примерно за 28 суток наш естественный спутник совершает один оборот вокруг Земли и за тот же промежуток времени делает один оборот вокруг собственной оси.

Именно благодаря совпадению периодов обращения и вращения Луны мы и видим всегда лишь одну сторону лунного шара. Но совпадение ли это?

Вообще говоря, природа не очень-то «любит» случайные совпадения такого рода и встречаются они не так уж часто. И понятно почему: ведь вероятность осуществления чисто случайных сложных совпадений, как правило, чрезвычайно мала. И если мы все же встречаем в природе какое-либо удивительное сочетание событий, то, скорее всего, у него есть какая-то скрытая закономерность.

«Поведение» Луны — не исключение: нечто похожее мы встречаем и у других небесных тел, входящих в состав Солнечной системы. Так, Меркурий, самая близкая к Солнцу планета, завершает один оборот вокруг Солнца за 88 земных суток, а один оборот вокруг своей оси за 59 суток. Казалось бы, никаких совпадений. Но дело в том, что, согласно второму закону Кеплера, планеты движутся по своим эллиптическим орбитам с переменной скоростью: чем ближе к Солнцу, тем быстрее. Так вот, если подсчитать угловые скорости в движении Меркурия, то окажется, что угловая скорость его собственного вращения совпадает с угловой скоростью его обращения вокруг Солнца в тот момент, когда планета проходит ближайший к дневному светилу участок своей орбиты.

Еще более сложное совпадение мы обнаруживаем в движении Венеры. Свой оборот вокруг Солнца эта планета, как мы уже знаем, совершает за 225 земных суток. Через каждые 584 суток Венера оказывается на линии, соединяющей Солнце и Землю.

И в этот момент Венера всегда повернута к Земле одной и той же стороной.

В чем же причина всех этих «совпадений»?

Всем известно явление лунных приливов. Лунное притяжение образует в водной оболочке Земли два «горба».

Так как наша планета вращается, то эти горбы перемещаются по ее поверхности — бежит приливная волна. Приливы происходят не только в водной оболочке, но и в твердом веществе Земли. Так, благодаря приливам и отливам почва в Москве дважды в сутки поднимается и опускается примерно на 40–50 см.

Рис. 13. Величина лунного прилива в твердом веществе Земли в районе Москвы.

Поскольку приливные волны перемещаются навстречу суточному вращению Земли, они неизбежно его тормозят, и скорость вращения нашей планеты постепенно уменьшается. Когда-то земные сутки были заметно короче современных.

Но если на Земле происходят лунные приливы, то в веществе Луны должны происходить земные приливы, и притом значительно более мощные — ведь Земля обладает массой, в 81 раз превосходящей массу Луны. Благодаря этому замедление собственного вращения Луны должно было происходить довольно быстро вплоть до тех пор, пока это вращение относительно Земли не прекратилось вовсе. Теперь Луна обречена «смотреть» на Землю всегда одной своей стороной.

Видимо, действие той же самой причины привело и к равенству угловых скоростей вращения и обращения Меркурия в ближайшей к Солнцу точке его орбиты. Сила тяготения быстро ослабевает с расстоянием, пропорционально его квадрату, и потому солнечные приливы на Земле незначительны в сравнении с лунными. Однако для Меркурия, самой близкой к Солнцу планеты, эти приливы, вероятно, достаточно сильны и способны оказывать заметное влияние на его вращение. Совпадение угловых скоростей, о котором говорилось, скорее всего, есть также следствие приливного торможения.

Что же касается Венеры, то причина ее постоянной ориентации по отношению к Земле в периоды наибольшего сближения пока остается неясной. Закономерно ли это явление или здесь мы все-таки встретились с. чисто случайным совпадением, пока неизвестно. Возможно, какую-то роль играет то обстоятельство, что в периоды сближения Венера расположена значительно ближе к Земле, чем к Солнцу. Однако решение этой загадки еще впереди.

 

Не грозит ли нам катастрофа?

Казалось бы, что во Вселенной может быть устроено проще и надежнее, чем наша Солнечная система? Решающую роль здесь играет одна сила — сила тяготения; движение каждой из планет вокруг Солнца подчиняется ясным и однозначным законам — законам Кеплера; происходит это движение почти в одной и той же, общей для всех планет, за исключением Плутона, плоскости…

В действительности же все не так просто. Дело в том, что на каждую из планет действует не только сила солнечного тяготения, но и сила притяжения остальных планет Солнечной системы. Это притяжение вызывает возмущения в движении каждой из планет. Планета несколько отклоняется от своего нормального пути, предначертанного законами Кеплера, впрочем, всякий раз вновь возвращаясь на него. Если учесть, что взаимное расположение планет все время меняется, то станет очевидно, что общая картина их движения весьма сложна.

И возникает законный вопрос. Не могут ли возмущения планетных движений привести к непоправимой катастрофе? Где гарантия, что всякий раз, сойдя с невидимых космических рельсов, планета обязательно возвратится на «родную» орбиту? А если отклонение окажется слишком большим? И не может ли вся эта «внутренняя раскачка», своеобразная вибрация, привести к полному развалу Солнечной системы?

Ответ на поставленный вопрос могут дать только вычисления. Надо рассчитать движение каждой планеты с учетом всех возможных возмущений, вызываемых влиянием других планет, и тогда все станет ясно.

Но легко сказать: рассчитать. Разумеется, в принципе подобная задача разрешима, во всяком случае с определенной степенью точности. Перемещениями небесных тел управляют силы тяготения, действующие между ними. Величина этих сил зависит от массы небесных тел и их взаимных расстояний. Кроме того, дальнейшее перемещение любого тела определяется еще и той скоростью, которой оно обладает. Можно сказать, что в современном состоянии системы небесных тел, т. е. в их взаимных положениях и скоростях, однозначно (опять-таки с некоторой степенью точности) заключено ее будущее. Поэтому задача состоит в том, чтобы, зная взаимное расположение и скорости планет в данный момент, вычислить их будущие перемещения. Однако в математическом отношении задача эта весьма сложна. Дело в том, что в любой системе движущихся космических тел происходит постоянное перераспределение масс, а благодаря этому изменяются величина и направление сил, действующих на каждое тело. Даже для простейшего случая движения трех взаимодействующих тел до сих пор не существует полного математического решения в общем виде.

Точное решение этой проблемы, известной в небесной механике под названием «задачи трех тел», удается получить лишь в определенных случаях, когда имеется возможность ввести известные упрощения.

Тем более труден абсолютно точный расчет движения девяти взаимодействующих, непрерывно перемещающихся планет Солнечной системы; он не под силу даже современной математике с ее могучей вычислительной техникой.

Но нужен ли для ответа на поставленный вопрос абсолютно строгий и точный расчет? В конце концов, важно ведь не столько знать все будущие взаимные положения планет, сколько получить ответ на один-единственный вопрос: могут или не могут планетные возмущения превысить некий «критический предел», за которым начнется необратимый распад Солнечной системы? Другими словами, нас интересует не количественное, а качественное решение задачи.

Между понятиями «количественное» и «качественное» есть существенная разница. Количественное решение показывает, во сколько раз изменяются одни физические величины в зависимости от изменения других. Качественное же решение дает лишь представление о том, в каких направлениях или в каких пределах изменяются интересующие нас величины при определенном изменении других величин.

Но в ряде случаев этого знания вполне достаточно. К ним относятся и многие задачи на устойчивость. Идет, скажем, некий химический процесс. Надо знать, какие отклонения от заданных параметров допустимы, чтобы исключить возможность взрыва.

Или другая задача: рассчитать конструкцию железнодорожного моста таким образом, чтобы никакие колебания, возникающие при движении транспорта, не привели к явлениям, способным превысить запас прочности сооружения. В обоих случаях нет необходимости рассчитывать все промежуточные состояния системы, достаточно установить лишь связь между изменениями некоторых начальных и конечных величин.

Задача о планетных возмущениях есть тоже задача об устойчивости — устойчивости Солнечной системы. И она тоже допускает качественное решение.

Впервые подобная задача была решена великим русским математиком А. М. Ляпуновым, которому удалось показать, что ни при каких мыслимых положениях планет их взаимные возмущения не могут превысить критического предела. Таким образом, никакие внутренние силы и взаимодействия не могут «раскачать» Солнечную систему и привести ее на грань распада. Планетная семья Солнца устойчива.

 

Солнце и нейтрино

Мы уже говорили, что наше дневное светило Солнце — это «черный ящик», у которого астрономы могут наблюдать только «выход». Все сведения, которыми располагает о Солнце современная астрономия, получены благодаря исследованию различных излучений, возникающих в самых верхних слоях нашего дневного светила.

Непосредственно из недр Солнца никакая информация к нам не поступает. Таким образом, теория внутреннего строения Солнца, согласно которой его энергия поддерживается термоядерными реакциями, — это, строго говоря, всего лишь теоретическая модель.

Впрочем, выражение «всего лишь» в данном случае не совсем уместно. Термоядерная теория достаточно хорошо объясняет процессы звездной эволюции и находится в хорошем согласии с наблюдаемыми физическими характеристиками Солнца и звезд. И все же, как любая теоретическая модель внутреннего «устройства» «черного ящика», эта теория нуждается не только в косвенных свидетельствах, но и в прямых подтверждениях, а для этого необходима информация, полученная непосредственно из звездных недр.

В последние годы такая возможность в принципе появилась. Речь идет о так называемой «нейтринной астрономии» или, точнее, «нейтринной астрофизике».

Нейтрино — «неуловимая» частица, принимающая непосредственное участие в термоядерных реакциях. В частности, нейтрино образуются в процессе термоядерных превращений водорода в гелий, которые, согласно современным представлениям, и служат источниками внутризвездной энергии. Энергия этих частиц и величина их потока зависят от температуры и характера ядерных реакций.

В то время как фотон, образовавшийся в недрах Солнца, прежде чем вырваться наружу, испытывает около 10 миллиардов соударений, нейтрино, обладающие огромной проникающей способностью, проходят через всю толщу солнечного вещества практически беспрепятственно и достигают Земли. Если бы нам удалось «поймать» солнечные нейтрино, мы в некотором смысле «увидели» бы, что происходит в центре Солнца. Но наблюдать нейтрино можно только косвенным путем, заставляя их взаимодействовать с другими частицами и регистрируя результаты подобных взаимодействий.

Подходящей ядерной реакцией может служить взаимодействие нейтрино с ядром одного из изотопов хлора, с атомным весом 37. Уловив нейтрино, такое ядро превращается в ядро изотопа аргона-37. При этом образуется один электрон, который можно зарегистрировать хорошо известными физикам способами. Кроме того, аргон-37 радиоактивен, значит, через определенные промежутки времени можно измерять, сколько его накопилось.

Но нужно еще «отстроиться» от других космических излучений, которые также могут вызывать ядерную реакцию превращения хлора в аргон. Чтобы избавиться от таких- помех, надо все измерения проводить глубоко под землей, куда обычные космические частицы проникнуть заведомо не могут.

Идея «хлорного детектора» для регистрации солнечных нейтрино была предложена известным советским физиком академиком Б. Понтекорво и осуществлена американским физиком Р. Девисом и его сотрудниками. «Нейтринным телескопом» служила огромная цистерна, заполненная 600 тоннами перхлорэтилена — вполне прозаической жидкости, применяемой для чистки одежды. Аппаратура была установлена в заброшенном золотом руднике в штате Южная Дакота вблизи города Хоумстейк.

Наблюдения проводились на протяжении длительного времени несколькими сериями и дали неожиданный результат. Число зарегистрированных актов взаимодействия оказалось намного меньше предсказанного теорией.

Для объяснения были выдвинуты различные гипотезы, в том числе и довольно экстравагантные. Так например, некоторые ученые предположили, что солнечный термоядерный реактор работает в «импульсном режиме». В силу определенных особенностей течения физических процессов в недрах Солнца термоядерная реакция время от времени прекращается. И тогда Солнце светит за счет запасов энергии, накопленных в предыдущем цикле. Вспомним, что фотоны электромагнитного излучения, приходящие к нам от Солнца, фактически родились около миллиона лет назад — ведь им еще надо было «пробиться» к солнечной поверхности. Нейтрино же дают нам информацию о состоянии Солнца практически в момент наблюдения. Поэтому нет ничего удивительного в том, что «электромагнитная» и «нейтринная» картины могут не совпадать… Не означает ли отсутствие солнечных нейтрино в опытах Девиса, что в нашу эпоху солнечный термоядерный реактор как раз не работает?

Очевидно одно: решение возникшей проблемы требует дальнейших нейтринных наблюдений Солнца. И для этого в настоящее время создается необходимая регистрирующая аппаратура.

С другой стороны, не исключена возможность, что отрицательный результат наблюдений Девиса объясняется свойствами самого нейтрино. К этому вопросу мы вернемся в следующей главе.