С подобным эффектом вы также можете встретиться в более безопасном эксперименте. Если привязать на веревку какой-то небольшой тяжелый предмет, например камень, и начать его вращать, то вы почувствуете что камень будет пытаться «улететь» от вас, все время растягивая веревку. Причем чем быстрее вы будете его вращать, тем большая сила потребуется, чтобы удержать его, тем больше будет сила натяжения веревки.
Рис. 1. Если выстрелить из пушки вертикально вверх, то снаряд по мере подъема будет постоянно замедляться под действием гравитации, так что в итоге остановится и начнет падать обратно.
Рис. 2. Если выстрелить из пушки параллельно поверхности Земли с недостаточно большой скоростью, то снаряд, пролетев некоторое расстояние, все равно упадет на Землю (возможно, даже на противоположной ее стороне).
Так вот, именно этот принцип и «использует» Луна, чтобы не упасть на Землю. Она просто движется с достаточно большой скоростью, чтобы гравитация Земли не смогла ее вернуть обратно.
Поэтому, если мы хотим, чтобы брошенный камень не упал на Землю, если мы хотим запустить камень в космос (точнее – вывести его на орбиту), то нам придется бросить его не вертикально вверх, а параллельно(!) поверхности Земли, чтобы его траектория была круговой. В этом случае он хоть и будет всё время пытаться упасть на Землю, но из-за слишком большой своей скорости будет постоянно промахиваться мимо поверхности и пролетать чуть дальше, совершая равномерное вращательное движение. Минимальная скорость, которую нужно придать телу вблизи земной поверхности, чтобы оно постоянно вращалось вокруг Земли и никогда не упало, называется первой космической скоростью и равняется примерно 7,9 км/с или 28 400 км/ч. Именно до такой скорости разгоняют ракеты, которые выводят на орбиту Земли искусственные спутники и другие космические аппараты.
Рис. 3. Но если сообщить снаряду (или любому другому телу) скорость 7,9 км/с или больше, то он выйдет на орбиту Земли и будет вращаться по эллиптической орбите, степень «сплюснутости» которой будет зависеть только от скорости снаряда.
Тут пытливый читать может задать вопрос: если есть первая космическая скорость, то, может быть, есть и вторая? А третья? А четвертая? Да, есть! Вторая космическая скорость – это минимальная скорость, до которой нужно разогнать тело, чтобы оно преодолело притяжение Земли и могло улететь, например, к другим планетам нашей Солнечной системы. Значение этой скорости составляет примерно 11,2 км/с или 40 000 км/ч. При скорости чуть больше первой космической, но чуть меньше второй, тело будет всё еще находиться на орбите Земли, только траектория его уже будет не окружностью, а эллипсом. Это такая чуть «сплющенная» окружность[7]. Причем чем больше будет скорость тела, тем более «сплющенной» будет его траектория. Третья космическая скорость – это минимальная скорость, до которой нужно разогнать тело, чтобы оно могло улететь за пределы уже Солнечной системы. А четвертая – чтобы улететь за пределы нашей Галактики. Но это уже совсем другая история, о которой мы поговорим в Части 7 (стр. 319). Но задумывались ли вы, какая максимально возможная скорость во Вселенной? Оказывается, это скорость света.
Вопрос 9. Чему равна скорость света и как ее измерили?
С древних времен ученые спорили о природе света: является ли он волной или потоком частиц[8]. Однако вопрос, по которому почти все они сходились, был вопрос о скорости света – считалось, что скорость света бесконечна. Действительно, как только мы зажигаем огонь или включаем дома лампу, то свет практически мгновенно распространяется во все стороны. Или во время грозы мы всегда сначала видим молнию, свет которой практически мгновенно доходит до нас, и лишь через несколько секунд слышим раскаты грома (хотя и гром, и молния в месте разряда возникают одновременно). Тем не менее попытки измерить скорость света постоянно предпринимались. К примеру, Галилей попытался сделать это следующим образом: он поставил на вершину одного холма своего ассистента, а на вершине другого холма встал сам. После чего Галилей открывал затвор фонаря, подавая тем самым сигнал ассистенту, чтобы тот открыл затвор своего, как только увидит свет фонаря Галилея. Измеряя время между подачей сигнала и получением ответа от ассистента, он надеялся измерить скорость света. Но единственное, что можно было измерить таким образом, это скорость реакции человека. Так что Галилей сделал вывод, что скорость света должна быть беспредельно велика. Тем не менее одно из открытий, которое сделал Галилей, помогло другому ученому впервые измерить эту величину.
В 1609 году Галилей узнал, что в Голландии изобрели «зрительную трубу». Она использовалась для наблюдения удаленных объектов в мореплавании и не только. Но Галилей решил направить эту зрительную трубу в небо. Так был создан первый в истории телескоп. С его помощью Галилей сделал множество открытий: от гор на поверхности Луны до более детального изучения звезд нашей галактики, Млечного Пути. Но наиболее поразившим всех открытием было обнаружение четырех лун Юпитера[9]. Оказалось, что вокруг Юпитера вращаются целых четыре естественных спутника, сегодня их называют галилеевыми[10]. Они представляют собой яркие небесные тела, которые отлично видны даже с Земли в отраженном свете Солнца. Поэтому Галилей назвал их «Звездами Медичи», в честь своего покровителя Великого герцога Тосканского Козимо II де Медичи.
Это открытие имело также очень важное практическое значение. Для задач морской навигации очень важно знать географическую долготу, а для ее определения необходимо знать точное время на корабле. Но достаточно точных часов в те времена еще не сконструировали, поэтому для определения времени нужно было выбрать какое-то небесное явление, которое происходило каждый день в одно и то же время. И в качестве такого явления решили выбрать затмение одной из четырех галилеевых лун, спутника под названием Ио.
Все спутники Юпитера, как и наша Луна, обращаются вокруг своей планеты равномерно, т. е. совершают один оборот всегда за одно и то же время. Пока спутник проходит перед Юпитером, он освещается светом Солнца и отлично виден с Земли. Однако когда он заходит в тень планеты, то перестает быть видимым. Это явление и называется затмением спутника. Через некоторое время, когда спутник облетает планету с другой стороны, он снова попадает под лучи Солнца и его опять можно увидеть с Земли. Период обращения Ио вокруг Юпитера составляет 42 часа 28 минут, поэтому его затмение должно повторяться именно с такой периодичностью.
В 1972 году Оле Рёмера (1644–1710), тогда еще молодого датского астронома, пригласили работать в новую Королевскую обсерваторию в Париже, где он более года наблюдал за затмениями Ио. По итогам своих наблюдений Рёмер обнаружил некоторые странности в поведении спутника: периодичность его затмений постоянно менялась. Когда Земля находилась на своей орбите ближе к Юпитеру, затмения Ио происходили чуть раньше рассчитанных. А через полгода, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, удалялась от Юпитера, эти затмения происходили с задержкой, которая достигала 22 минут[11]. Оле Рёмер предположил, что так происходит потому, что свету от Ио приходится преодолевать большее расстояние, когда Земля находится на противоположной стороне своей орбиты. Это открытие было представлено Королевской академии наук и опубликовано 7 декабря 1676 года в старейшем научном журнале мира Journal des Savants.
Зная диаметр орбиты Земли (примерно 300 млн км) и время задержки затмения, можно рассчитать скорость света. Однако сам Рёмер не знал, чему равно это расстояние. Поэтому уже Христиан Гюйгенс использовал данные Рёмера для своих вычислений. В результате он получил хоть и огромное, но все-таки конечное значение 220 000 км/сек.
Примерно через семьдесят лет после публикации работы Рёмера, в 1849 году, другой французский ученый, Арман Ипполит Луи Физо (1819–1896) уточнил значение скорости света уже в земных условиях. Он разработал весьма элегантный способ – так называемый метод прерываний. Физо направлял под углом пучок света на полупрозрачное зеркало (А). Одна часть этого пучка проходило сквозь зеркало (эта часть нам неинтересна), а вторая часть отражалась и направлялась сквозь вращающееся зубчатое колесо (В) на второе, уже обыкновенное зеркало (Б), расположенное на расстоянии 8,6 км от колеса. Отраженный от этого зеркала пучок света проходил обратно сквозь зубчатое колесо (В) и опять попадал на полупрозрачное зеркало (А). Там одна часть этого пучка отражалась (теперь она нам неинтересна), а вторая часть пучка проходила сквозь полупрозрачное зеркало и попадала к наблюдателю.
Разумеется, если при вращении зубчатого колеса пучок света попадал не в промежуток между зубцами, а на сам зубец, то наблюдатель ничего не видел. Поэтому Физо подобрал такую скорость вращения зубчатого колеса, чтобы за то время, пока пучок света шел до зеркала (Б) и обратно, колесо успевало провернуться ровно на одно деление. Зная скорость вращения колеса, размер зубцов и расстояние между ними, Физо смог вычислить значение скорости света. По его подсчетам получилось, что скорость света равна 313 000 км/с.
Еще через год другой французский физик Леон Фуко (1819–1868) немного усовершенствовал этот эксперимент, увеличив точность измерений. Он получил значение скорости света, равное 298 000 км/с, при этом погрешность составила 500 км/с. После этого эксперимент многократно повторялся, видоизменялся, а точность измерений постоянно увеличивалась. Наконец в 1972 году, уже с помощью лазеров, удалось снизить погрешность измерений скорости света приблизилась до 1 м/с и получить значение равное 299 792 458 м/с. Оказалось, что еще больше увеличить точность измерений скорости света невозможно из-за того, что эталон одного метра (металлический брусок из сплава платины и иридия) изготавливался именно с такой погрешностью. Поэтому в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение отныне в качестве эталона одного метра считать не длину этого бруска, а расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 долю секунды. Так что скорость света равна в точности 299 792 458 м/с.