[62].
18. История одного паденияНе верь глазам своим: Луна все время падает на Землю
Чтобы научиться летать, надо уметь бросать себя на землю и промахиваться.
Почему спутники не падают на землю? Школьники все время задают мне этот вопрос. Ответ поистине удивителен: они падают, но при этом всегда промахиваются! Этот далеко не очевидный факт первым осознал Исаак Ньютон еще в XVII веке. Разумеется, он думал не об искусственных спутниках Земли, а о ее естественном спутнике – Луне. Ньютон спросил себя, почему Луна вращается вокруг Земли, и придумал следующее объяснение.
Представьте себе пушку, из ствола которой вылетает ядро и летит параллельно земной поверхности. Под влиянием силы тяжести его траектория изгибается вниз, и примерно через 100 метров ядро упадет на землю. Теперь вообразите, что у вас есть более мощная пушка, которая выстрелила ядром, чья скорость значительно больше. Такое ядро пролетит дальше, – допустим, целый километр – пока его полет не прекратится по той же причине, что и в первом случае – оно врежется в землю. А сейчас мысленно нарисуем себе гигантскую пушку – царь-пушку – способную выпускать ядра со скоростью 28 080 километров в час. Ядро, летящее с такой скоростью, никогда «не догонит» поверхность Земли, которая имеет форму шара. Траектория ядра изгибается и стремится достичь поверхности, но ровно в этот момент Земля буквально «уходит из-под ног». Поэтому пушечное ядро никогда не упадет наземь, а будет вечно кружить – падать по круговой траектории.
Полет пушечного ядра из книги Ньютона «Математические начала натуральной философии»: на тело, летящее горизонтально, действует сила тяжести и заставляет его падать на землю. Но если тело летит с такой большой скоростью, что его падение компенсируется кривизной земного шара, оно никогда не упадет на поверхность.
Именно так, рассуждал Ньютон, ведет себя Луна: постоянно падает на Землю, двигаясь по круговой траектории[64]. Сегодня мы с уверенностью можем сказать, что Ньютон был совершенно прав, и доказательство этому – полет Международной космической станции. Сила земного тяготения на высоте орбиты МКС всего на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Космонавты на борту находятся в состоянии невесомости не потому, что на них не действует сила тяжести – как часто и ошибочно полагают, – а потому, что они постоянно падают по направлению к Земле. В свободном падении сила тяжести не ощущается[65]. Если вам когда-нибудь не посчастливится оказаться в лифте с порвавшимся тросом, вы испытаете на себе всю истинность этого утверждения.
В тот момент, когда Ньютон постиг на примере Луны принцип свободного падения, его осенило. Во времена Ньютона полагали, что земная юдоль и небесная епархия управляются совершенно разными законами. Ньютон же провозгласил, что и земные, и небесные явления подчиняются одним и тем же законам. Он понял, что тот же самый закон притяжения, который вынуждает яблоко, сорвавшееся с ветки, падать на землю, действует и на Луну, которая все время облетает Землю по кругу.
Вдохновленный этими примерами, Ньютон пошел дальше в своих рассуждениях и смог открыть универсальный закон тяготения. Он понял, что сила притяжения между телами выражается законом обратных квадратов. Другими словами, если расстояние между телами увеличивается в два раза, сила притяжения между ними падает в четыре раза; если расстояние увеличивается в три раза, сила притяжения ослабевает в девять раз и т. д.
Закон всемирного тяготения был открыт Ньютоном в тот год, который поистине оказался для него чудесным. В 1665 году в Англии свирепствовала чума, и Ньютон из соображений безопасности покинул Кембридж – занятия там были прекращены из-за эпидемии – и уехал в свое родовое поместье в деревне Вулсторп (графство Линкольншир). Именно там, в условиях вынужденного изгнания, Ньютон проник в тайну всемирного тяготения. Он сделал еще одно важное открытие: доказал, что солнечный свет состоит из основных цветов радуги. Ньютону также принадлежит честь создания дифференциального и интегрального исчисления.
Отметим тот странный факт, что Ньютон почти двадцать лет не хотел предавать гласности свое открытие закона всемирного тяготения. Вынудил его к этому Эдмунд Галлей, тот самый, в честь которого названа знаменитая комета, периодически возвращающаяся к Солнцу. Друзья Галлея, Роберт Гук и Кристофер Рен, поспорили о том, по какой траектории будет двигаться тело под действием силы по закону обратных квадратов[66]. Галлей решил помочь им в разрешении этого спора. В августе 1684 года он приехал из Лондона в Кембридж, чтобы спросить об этом самого Ньютона.
– Такое тело будет двигаться по эллипсу, – немедленно ответил ученый. – Я ведь уже доказал это.
Но, как ни старался Ньютон, он не смог найти доказательство среди кипы своих бумаг. Он пообещал Галлею снова проделать расчеты и отправить их ему в Лондон. Ньютон сдержал свое слово. Галлей был приятно удивлен, когда несколько месяцев спустя получил посланную Ньютоном девятистраничную рукопись «О движении тел по орбите». Все попытки Галлея, предпринятые им, чтобы уговорить Ньютона немедленно напечатать полученные результаты, не увенчались успехом – Ньютон всячески отказывался сделать это под предлогом того, что хочет собрать все свои идеи о тяготении и движении тел в одной книге. Так началась работа Ньютона над книгой, и через восемнадцать месяцев, в результате гигантской работы, он напечатал свои «Математические начала натуральной философии». По своему значению этот труд мог соперничать лишь со знаменитым «Происхождением видов» Чарльза Дарвина – величайшим трактатом в истории науки[67].
19. Планета, преследовавшая ЗемлюОкольцованная Земля
– Что важнее: Солнце или Луна?
– Конечно, Луна. Солнце светит днем, когда и так светло.
Загадка происхождения Луны до сих пор продолжает волновать ученых, а вместе с ними – и вас, мой читатель, если вы взяли в руки эту книгу. Естественные спутники планет в Солнечной системе имеют разные размеры, но только у Земли ее спутник сравним по размерам с самой планетой. Луна имеет диаметр всего в четыре раза меньше диаметра Земли, поэтому мы можем сказать, что наша система Земля – Луна – это двойная планета.
Спутники планет в Солнечной системе делятся на две категории в зависимости от источника их происхождения. Некоторые из них просто были глыбами вещества, блуждающими в космосе, пока не приблизились к планете настолько, что были захвачены ее полем тяготения. Другие склеились из обломков, оставшихся после рождения планеты – подобно тому, как сами планеты могли образоваться из вещества протопланетного диска, вращающегося вокруг новорожденного Солнца. Но размеры и тех, и других спутников значительно меньше, чем планеты, вокруг которых они вращаются.
Другое дело – Луна. Она не укладывается в описанные рамки. Это одна из причин, по которой ученые-планетологи предложили для Луны совершенно иной, уникальный механизм рождения.
Представьте себе Землю такой, какой она была 4,55 миллиарда лет назад, вскоре после своего рождения. Солнечная система в это время – отнюдь не безопасное место. Повсюду в космосе носятся целые скалы – планетезимали – строительный материал для планет. Одно из таких небесных тел размером с современный Марс опасно сближается с Землей. Оно направляется прямо к Земле, и вот уже столкновение неизбежно. Удар – катастрофа настолько сильна, что часть поверхности Земли расплавляется и выплескивается в космос, образуя кольцо вокруг Земли.
Эта версия сейчас считается одной из наиболее распространенных для объяснения причины появления Луны на орбите вокруг Земли. Считается, что подтверждение этой версии поступило после полета астронавтов миссии «Аполлон» на Луну. Они доставили лунные камни, которые по составу были подозрительно похожи на земную мантию, только гораздо более обезвожены, чем самые сухие земные породы. Как будто вся вода из них однажды испарилась под действием очень сильной жары. Все это не противоречит версии катастрофического столкновения. Но у этого предположения есть и свои сложности, которые трудно объяснить. Дело в том, что тело размером с планету Марс должно было двигаться по касательной и с достаточно низкой скоростью – иначе вместо Луны появилась бы куча осколков на месте планеты Земля. Однако космические тела, движущиеся по соседним с Землей орбитам, должны иметь слишком большие скорости. Так что и этот сценарий образования Луны маловероятен.
Тем не менее теория Большого всплеска, как ее называют, может иметь право на существование, если предположить, что гипотетическая планета Тейя двигалась по той же орбите, что и Земля. Такая ситуация могла иметь место, если Тейя образовалась в стабильной точке Лагранжа и опережала Землю либо опаздывала от нее в своем движении по орбите на 60 градусов[68]. И так они кружили друг за другом в течение миллионов лет. Тейя поджидала, пока наконец пролетающее рядом небесное тело не подтолкнуло ее к Земле. Это была планета, которая преследовала Землю.
Кольцо из вещества, образовавшееся вокруг Земли в результате столкновения с Тейей, не продержалось долго. Осколки быстро охладились и постепенно слиплись в новоиспеченное небесное тело – Луну. Вначале новый спутник был в десять раз ближе к нашей планете, чем сегодня. Вода в земных морях вздымалась на высоту, которая в 1000 раз превышала уровень морских приливов сегодня. Такие гигантские приливы постепенно истощили запас энергии системы Земля – Луна