Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Лестница расстояний

Подытожим теперь то, что мы узнали о размерах объектов. Для этого пройдем по одной ступеньке всю «лестницу расстояний», начиная с наименьшего расстояния, еще воспринимаемого невооруженным глазом, и восходя к звездам.

Наименьшее расстояние, или размер, который мы можем различить, приблизительно равно одной десятой миллиметра. Это — толщина волоса. Следующая ступенька на нашей лестнице характеризует размеры нашего собственного тела, например расстояние от глаза до конца руки — кончиков пальцев, — оно в 10 000 раз больше первого, т. е. составляет около одного метра. Расстояние до ясно видимых гор на горизонте еще в 10 000 раз больше — 10 км. Следующая ступенька — диаметр Земли, она примерно в 1000 раз больше — 12 000 км. Расстояние от Земли до Солнца снова в 10 000 раз больше — 160 миллионов километров. Следующая ступенька расстояние до ближайших звезд. На этот раз ступенька больше примерно в 1000 000 раз, и мы получаем 1014 км, или 10 световых лет. Следующая — размер нашей Галактики — опять в 10 тысяч раз больше предыдущей, а именно 105 световых лет. Затем следует ступенька, которая больше только на множитель, заключенный между 10 и 100; она приводит нас к расстояниям до соседних галактик, нескольким миллионам световых лет. Последняя ступенька, получаемая умножением на 10 000,— расстояние до наиболее удаленных объектов, которые вообще еще можно увидеть, или то, что мы называем радиусом доступной Вселенной. По лучшим современным оценкам это расстояние порядка 10 миллиардов световых лет.

«Лестница расстояний»

Теперь мы пришли к концу «лестницы расстояний». Каждый шаг приводил к большим расстояниям. В большинстве случаев мы получали возрастание в 10 000 раз. Такой шаг легко воспринимается нами; он становится наглядным, если мы вспомним, что длина руки человека в 10 000 раз больше толщины волоса, а рост человека примерно во столько же раз меньше расстояния в 10 км. Даже множитель в один миллион, который определяет расстояние до ближайшей звезды по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца, можно сделать наглядным: расстояние Сириус — Земля настолько же больше расстояния Солнце — Земля, во сколько длина 100 м больше толщины волоса. Однако наше воображение изменяет нам, когда мы пытаемся охватить всю «лестницу расстояний». Огромные размеры всей видимой Вселенной слишком велики, чтобы представить их какими-либо земными размерами. Тем величественнее достижения человеческого разума, создавшего такие понятия и представления, которые позволили постичь колоссальные размеры Вселенной. Французский философ Блез Паскаль сказал: «Не огромность мира звезд вызывает восхищение, а человек, который измерил его».

ГЛАВА II

НАШЕ МЕСТО ВО ВРЕМЕНИ

Возраст ландшафта

Каков возраст мира? Мы непосредственно ощущаем промежутки времени, встречающиеся в нашей жизни. Кратчайший промежуток времени, который мы можем ощутить, примерно равен одной десятой секунды. Это длительность щелчка пальцами. Естественные единицы времени, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, суть день и год; кроме того, мы понимаем, что имеется в виду, когда говорят о длительности человеческой жизни. Памятники письменности позволяют нам вернуться к событиям давностью до 5000 лет. Это возвращает нас к эпохе шумерской цивилизации, древнейшему периоду, оставившему эти памятники. Итак, 5000 лет — это наиболее длинный период, на который распространяется прямой опыт человека. Если мы хотим изучить хронологию событий, предшествовавших истории человека, надо применить непрямые методы.

Крупные природные образования вокруг нас — холмы, реки, океаны, равнины и т. д. — мало изменились за эти 5000 лет. Но существовали ли они вечно? Очевидно, нет. Ветер и непогода работали над ними.

Возьмем, например, такую гору, как Маттерхорн, находящуюся в Альпах между Италией и Швейцарией. Она возвышается непосредственно над окружающей ее местностью примерно на 2000 м и в основании имеет около 2000. Следовательно, она состоит, грубо говоря, из 2·109 м3 горных пород.

Площадь склонов равна, тоже по грубой оценке, 107 м2. Капризы погоды — дождь, лед и бури — постепенно отламывают здесь и там кусочки породы, в основном вследствие замерзания воды в трещинах, и вся громада постепенно разрушается. Сколько времени должно пройти, чтобы совсем разрушить гору и сравнять ее с окружающей местностью? Сделаем простой расчет. Разумно предположить, что в среднем от каждого квадратного метра породы в год отламывается кусок размером в несколько сантиметров. Следовательно, за один год с Маттерхорна осыплется примерно 103 м3 породы. Через миллион лет половина горы разрушится. Жизнь такой горы, как Маттерхорн, должна длиться около нескольких миллионов лет.

К аналогичным выводам мы приходим, изучая количество наносов, которое выносится реками в моря. Можно измерить количество измельченной горной породы, песка и почвы, увлекаемое дождями с земли и переносимое реками в моря за год. Если равномерно распределить это количество по всей площади, с которой его собирает вода, текущая в реках, то получится весьма тонкий слой, толщиной около 1/300 см. Однако за миллион лет это даст слой толщиной 30 м. Так как уносимая реками порода не поступает равномерно отовсюду, а только с тех участков, где есть уклон, мы видим, что за миллион лет дожди и непогода могут уничтожить холмы во много сот метров высотой и существенно изменить ландшафт. Итак, можно считать, что возраст ландшафта, который мы видим вокруг себя, достигает миллионов лет.

Выветривание и размывание — это разрушительные силы, выравнивающие поверхность Земли, Если бы на нее не действовали другие силы, весь мир был бы плоским, так как горы и холмы были бы разрушены за несколько миллионов лет. Однако работают и восстанавливающие силы, которые медленно, но постоянно изменяют поверхность Земли. Внутренние части Земли все время находятся под высоким давлением, так как на них давят вышележащие наружные слои. Иногда это давление уменьшается в одном месте или увеличивается в другом (рис. 8).

Рис. 8. Поверхность Земли подобна куску ткани.

Изменения давления приводят к смещению поверхности вверх и вниз, при этом образуются высокие плато и глубокие впадины. Иногда возникают боковые смещения, тогда поверхность Земли искривляется и образуются горные кряжи и долины, как на куске материи, если сдвигать ее с двух противоположных сторон. Непрерывно происходит смена горообразования и последующего разрушения гор в результате эрозии. Мы живем в период, отделенный только несколькими миллионами лет от времени весьма интенсивного горообразования; вот почему поверхность Земли покрыта в настоящее время горами столь разных размеров. Так, через 50 миллионов лет Земля станет значительно площе и однообразнее, если за это время не произойдет никаких новых горообразовательных процессов.

Радиоактивность — часы Вселенной

Сколько времени продолжалась эта смена горообразования и атмосферной эрозии гор? Как измерить промежутки времени, в течение которых совершались великие геологические события? Для этой цели мы должны применить естественные часы, которые идут так медленно, что по ним можно прочитать долгие промежутки времени. К счастью, природа снабдила нас очень медленным, мерно идущим процессом, который можно использовать для измерения времени. Речь идет здесь о явлении радиоактивности, странном явлении, открытом в 1896 г. французским ученым Анри Беккерелем. Но как же радиоактивность можно использовать в качестве часов?

Когда была открыта радиоактивность, она казалась весьма загадочной, так как опровергала исконную веру всех ученых в неизменяемость химических элементов[8]. Явление радиоактивности показало, что некоторые элементы изменяются. Радиоактивное вещество превращается в другое вещество. Атомы таких элементов распадаются, испуская лучи, и становятся атомами других элементов.

В качестве примера рассмотрим радиоактивный рубидий. Рубидий — сравнительно редкий металл, сходный с натрием и калием. В природе найден рубидий двух сортов (два «изотопа»). Они отличаются друг от друга по весу: один имеет атомный вес[9] 85, другой — 87; радиоактивен более тяжелый изотоп. Кусок чистого Rb87 испускает характерное для него излучение, природа которого для нас сейчас несущественна. (Этот элемент представляет большой интерес для медиков, так как может применяться для лечения рака.) Важнее всего тот факт, что атом Rb87 превращается в атом другого элемента, а именно в атом стронция. Это превращение происходит медленно и непрерывно, с постоянной скоростью, и его нельзя ни ускорить, ни замедлить каким-либо внешним воздействием. Каждый год известная часть рубидия превращается в стронций. Для Rb87 эта часть чрезвычайно мала, она составляет только 1,6·10-11 в год[10]. Это значит, что за год в стронций превращается одна сотая от миллиардной части Rb87. Большинство природных радиоактивных веществ превращается столь же медленно. «Постоянная распада» урана равна 2·10–10 в год, т. е. за год превращаются только две десятимиллиардные части урана. Калий 40, тоже радиоактивный элемент, имеет постоянную распада, равную 0,7·10-9 в год.

Наши знания о радиоактивности значительно углубились после изобретения ускорителей частиц до высоких энергий. В таких устройствах малые частицы ударяют с большими энергиями по атомам разных веществ и производят изменения в этих атомах. Например, при бомбардировке обычно нерадиоактивные элементы превращаются в новые элементы, которые, как правило, не встречаются в природе и очень часто радиоактивны. Таким способом можно производить новые, «искусственные» радиоактивные вещества, очень ценные для физических и медицинских исследований. Большинство из них превращается в другие элементы гораздо быстрее, чем естественные радиоактивные элементы. Например, можно получить радиоактивный натрий (атомный вес 24), который превращается в магний со скоростью 6 % в 1 час.

Возраст материи

Теперь мы приходим к первому фундаментальному заключению о шкале космических времен: Земля не могла существовать бесконечно давно. На Земле есть объекты, которые не могли находиться на ней извечно. Если бы Земля существовала бесконечно длительное время, мы не могли бы обнаружить на ее поверхности радиоактивных веществ, таких, как Rb87, уран и калий. Действительно, если бы возраст Земли был гораздо больше, чем 1010 лет, все естественно-радиоактивные вещества, которые мы перечислили, распались бы почти полностью в свои дочерние продукты и их нельзя было бы обнаружить Мы должны предположить, что процесс, в котором образовались эти элементы, больше не продолжается.

Каков же тогда возраст Земли? Рассматривая постоянные распада природных радиоактивных веществ, мы видим, что все они меньше одной миллиардной в год. Искусственные же радиоактивные материалы, которые мы производим сами, имеют, однако, всевозможные постоянные распада. У некоторых из них постоянные распада очень малы (миллионные доли в год), у других распад происходит очень быстро — например, половина вещества распадается за десятые доли секунды. Найдены всевозможные скорости распада в этих пределах. Однако в природе встречаются только элементы со скоростью распада меньше нескольких биллионных[11] долей в год. Объяснение очень просто: элементы, распадающиеся быстрее, не встречаются в природе потому, что они уже успели распасться[12] за время существования Земли.

Отсюда мы заключаем, что материал, составляющий Землю, существует в его нынешнем состоянии несколько миллиардов лет, во всяком случае не многим более. Естественный радиоактивный элемент с наименьшим временем распада, К40 (скорость распада — одна миллиардная в год), почти израсходовался; его содержание в естественном калий очень невелико (0,12 %). Поэтому «возраст» материала, составляющего нашу Землю, должен несколько превышать миллиард лет, быть может, он в 5 или в 10 раз больше, но не многим более.

Это был знаменательный момент в истории нашего познания мира, когда здесь, на Земле, мы нашли доказательство того, что Земля не существует извечно. Радиоактивные вещества — это только маленькая часть материала Земли. Они встречаются исключительно редко. Но само их существование свидетельствует о каком-то начале.

Что же происходило в этом начальном периоде? Конечно, Земля не могла находиться в состоянии, напоминающем нынешнее. В то время вещество, из которого состоит Земля, должно было находиться в условиях, обеспечивающих образование радиоактивных элементов. Такие условия мы создаём в наших больших ядерных ускорителях. Частицы и атомы должны были обладать огромными энергиями, их плотности достигали колоссальных величин, и сами они сталкивались друг с другом на больших скоростях. Температуры, при которых создаются эти условия, имеют порядок 100 миллионов градусов. У нас есть веские основания полагать, что такие условия существуют в центрах звезд, но не при обычных обстоятельствах, а когда звезды становятся неустойчивыми и взрываются. Взрывающиеся звезды называются новыми, потому что они внезапно появляются на небе и быстро, за несколько месяцев, тускнеют. Они встречаются не так уж редко. С помощью наших гигантских телескопов мы ежегодно можем найти 20 или 30 таких звезд среди 50 000 000 000 звезд Галактики[13]

Итак, мы приходим к заключению, что материал, из которого состоит Земля, должен был подвергаться огромному ускорению и нагреванию (вероятно, во взрывающихся звездах) в период, закончившийся 5—10 миллиардов лет назад. Мы можем считать, что эти процессы обеспечили создание элементов, из которых состоит наше окружение[14]. К этому времени относится образование многих радиоактивных и нерадиоактивных элементов, в том числе тех, которые мы можем сделать в наших ускорителях, а также некоторых других. Но с тех пор радиоактивные вещества с короткими временами распада давно распались и превратились в устойчивые, стабильные, элементы. Немногие долгоживущие естественные радиоактивные вещества — это последние свидетели того богатого событиями времени, когда образовались элементы — те элементы, из которых состоит Земля. Это последние искры, оставшиеся после величественного космического пожара, который 10 миллиардов лет назад создал элементы, окружающие нас на Земле.

Давность событий в истории Земли

Более подробный анализ процесса распада естественных радиоактивных элементов позволяет нам определять давность событий, происходивших значительно позже образования элементов. В большинстве случаев минерал, содержащий естественный радиоактивный элемент, содержит и продукт его распада. Например, в горной породе, содержащей рубидий, находится также и стронций, элемент, в который превращается радиоактивный рубидий. Сравнивая относительные количества обоих элементов в образце, мы можем определить, сколько времени рубидий находился в этой породе, или, другими словами, найти время, прошедшее с момента ее затвердевания. Расчет весьма прост. Каждый год 1,6·10-11 часть рубидия превращается в стронций, и отсюда можно заключить, сколько лет понадобилось, чтобы получилось наблюденное количество стронция.

Здесь есть только одна трудность. Не обязательно весь стронций в природе был раньше рубидием. В нее мог попасть стронций с самого начала. Есть очень изящный способ преодоления этой трудности. Стронций, образовавшийся из рубидия, — это особый стронций, а именно Sr87. В обычном, природном стронции содержится только 12 % изотопа Sr87, основная его часть состоит из изотопа Sr88 [15]. Следовательно, нам нужно только измерить долю Sr88 в нашем образце. Если Sr88 отсутствует, то, значит, весь стронций образовался из рубидия. Если в нем содержится Sr88, то мы знаем, сколько обычного стронция находилось в образце, и можем определить, сколько Sr87 образовалось вследствие, радиоактивного распада.

Такие же измерения можно произвести с образцами горных пород, содержащими другие естественные радиоактивные элементы. Для этой цели широко использовалась радиоактивность калия и урана.

Естественные радиоактивные материалы являются не только свидетелями рождения Земли, их медленный, но мерно идущий распад позволяет измерять прошедшее время.

Измерение содержания продуктов радиоактивного распада, например стронция, образовавшегося из рубидия, позволило определять давность событий, которые попадают в неизученный период между миллионами лет (эрозия поверхности Земли) и многими миллиардами лет (образование элементов).

Когда бы ни произошло образование новых гор, когда бы ни начали накапливаться морские отложения, в радиоактивных элементах, содержащихся в таких веществах, начинают накапливаться продукты их распада, и, измеряя содержание накопившегося продукта, можно найти время наступления данного события. Это позволяет нам с разумной точностью определять давность геологических событий. Мы нашли, например, что Альпы и Гималаи весьма молоды, их возраст — всего лишь несколько миллионов лет (рис. 9).

Рис. 9. Вершина К2 в Гималаях (6470 м), которая считается второй по высоте в мире.

Скалистые горы в их настоящем виде старше, им около 60—100 миллионов лет. Возраст плоских хребтов Аппалачских гор приблизительно равен 250–300 миллионам лет, хотя действительная форма отдельных вершин на их поверхности неоднократно менялась с тех пор.

Возраст старейших горных пород, найденных до сих пор, достигает 2,6 миллиарда лет. Поэтому Земля никак не может быть моложе. По-видимому, она старше, но то, что теперь является поверхностью нашей планеты, изменилось так сильно, что теперь уже нельзя найти более древних пород. Различные слои горных и осадочных пород содержат окаменелые останки животных и растений. Таким образом, «расписание», или шкала времен, геологических формаций попутно дает и шкалу времен для развития жизни (рис. 10).

Рис. 10. Трилобит (Olenellus). Кембрийский период.

Мы нашли, что старейшие следы жизни насчитывают примерно 600 миллионов лет и принадлежат водорослям и губкам. Очевидно, что раньше должны были также существовать более примитивные формы жизни, но они не оставили никаких следов в горных породах. По оценкам, примитивные бактерии должны были жить не менее миллиарда лет назад. Находят рыб и моллюсков, существовавших 300 миллионов лет назад, пресмыкающиеся появились примерно 275 миллионов лет назад. Им должно было предшествовать появление деревьев и цветов, которые существуют уже около 400 миллионов лет. Млекопитающие развились только 150 миллионов лет назад, а человек существует едва лишь миллион лет. Так радиоактивные часы помогли нам датировать и развитие различных форм жизни.

Возраст Земли и планет

То и дело из внешнего пространства в атмосферу влетают куски вещества. Большинство этих объектов — они называются метеоритами, — попадая в атмосферу, испаряется вследствие сильного разогрева, наступающего при очень быстром их движении в воздухе. Но некоторые большие частицы достигают поверхности Земли (рис. 11).

Рис. 11. Метеоритный кратер в пустыне Аризона. Вероятно, этот метеорит упал несколько десятков тысяч лет назад. Диаметр кратера — около 1200 м, глубина 195 м. Кратер образовался при падении огромного метеорита, состоящего из железа и никеля.

Эти объекты, а также пути, по которым они пришли, подвергались внимательному изучению. Возможно, что метеориты не приходят очень издалека. Быть может, это раздробленные остатки одной или нескольких малых планет, разрушившихся когда-то, на заре образования нашей солнечной системы.

Возраст пород, составляющих метеориты, должен быть близок к возрасту самой солнечной системы; они возникли, вероятно, тогда же, когда из вещества «образовались» Солнце и планеты. Поэтому, определяя возраст обломков, мы, вероятно, узнаем и возраст нашей солнечной системы, или время образования планет. К счастью, метеориты иногда содержат следы радиоактивных веществ и продуктов их распада. Данные о количестве этих продуктов можно использовать для того, чтобы узнать, сколько времени радиоактивный элемент распадался в частице вещества в межпланетном пространстве. Полученные результаты хорошо согласуются друг с другом: все метеориты имеют, по-видимому, одинаковый возраст — около 4,5 миллиарда лет. Отсюда мы должны заключить, что столько же времени прошло с тех пор, как вещество «собралось» в Солнце и планеты нашей солнечной системы. Очень возможно, что столько же времени Земля и другие планеты существуют в виде больших шаров, обращающихся вокруг Солнца[16].

Возраст звезд

Можем ли мы определить возраст других звезд? Мы больше не можем применять радиоактивные часы, так как вещества, находящиеся вне солнечной системы, не достигают Земли. Наше единственное средство связи — свет. Однако, несмотря на отсутствие прямого контакта, астрономы пытались получить некоторую косвенную информацию о возрасте звезд. Иногда можно прийти к приближенным оценкам, тщательно исследуя цвет и яркость звезды и применяя наши новые представления о процессах, обеспечивающих создание запаса той огромной энергии, которая необходима для длительного поддержания свечения звезды[17]. Отсюда находят, что возраст большинства звезд также измеряется миллиардами лет. Возраст некоторых групп звезд, вероятно, достигает 20–30 миллиардов лет[18], другие, по-видимому, моложе. Точно так же, как год служит удобной единицей для измерения длительности жизни человека, миллиард лет удобен для измерения возраста звезд. Старейшие породы на Земле насчитывают 2,6 миллиарда лет; солнечная система образовалась 4,5 миллиарда лет назад; наши естественные радиоактивные вещества образовались в звездных взрывах 5—10 миллиардов лет назад, и возраст большинства звезд также лежит в этих пределах.

Расширение Вселенной, которое мы рассматривали в предыдущей главе, тоже дает масштаб времени, в течение которого развивалась Вселенная: в настоящее время мы видим непрерывно удаляющиеся от нас. галактики, причем их скорость тем больше, чем дальше они находятся. Мы можем задать вопрос: если верно, что галактики удаляются друг от друга, то не было ли такого времени, когда они располагались теснее? Действительно, если расширение Вселенной происходило с той же скоростью, что и сейчас, то когда-то все галактики должны были находиться в одном месте. Поэтому их расширение, которое мы видим сейчас, не могло идти извечно. Когда же было это время скопления галактик? Напомним, что скорость удаления галактик примерно равна 30 км/сек на каждый миллион световых лет расстояния. Здесь весьма важно, что на прохождение миллиона световых лет со скоростью 30 км/сек требуется 10 миллиардов лет. Это значит, что расширение галактик не могло начаться при той же скорости намного раньше, чем 10 миллиардов лет назад. Прослеживая расширение в обратном направлении, мы должны заключить, что в какое-то время все галактики были сосредоточены, грубо говоря, в одном месте.

Мы снова получаем период, аналогичный другим космическим временам жизни. Что это значит для нас? Немногим более следующего: видимая Вселенная и материя, которую она содержит, 10 миллиардов лет назад были совсем не такими, как сейчас. Мир, как мы его знаем теперь, с составляющим его веществом, с его звездами и планетами, галактиками и системами галактик, существует 10 миллиардов лет. Сегодня никто не знает, в каком состоянии мир был ранее. Вещество, звезды и галактики возникают и исчезают. Все, что мы знаем, это общая длительность процесса — 10 миллиардов лет[19].

«Лестница времен»

Если возраст Вселенной принять за один день, то человечество существует только последние десять секунд.

ГЛАВА III

ДВЕ СИЛЫ ПРИРОДЫ

Тяготение на Земле и в небе

В главах I и II мы соорудили во времени и в пространстве подмостки, на которых развертываются все события в нашем мире. Теперь посмотрим, что же это за события. Мы видим несметное множество объектов, претерпевающих непрерывное изменение и движение на небе и на Земле и обладающих различными свойствами и качествами; среди этих объектов мы находим любые: от самых простых — газов, жидкостей и твердых тел — и до таких сложных, как растения, животные и человек. Поведение всех этих форм материи очень сложно и запутано. И все же мы можем отметить некое подобие порядка в природе. Несмотря на постоянное изменение и движение, мы замечаем сходство между различными объектами, мы разбиваем их на классы и называем их. Материалы, из которых состоят эти объекты, можно разделить по типам, таким, как горные породы, металлы, жидкости, органические вещества и т. д. Эти вещества сильно отличаются по своим свойствам, но мы везде видим одни и те же металлы, горные породы, органические вещества и т. п. Кусок золота остается таким же, где бы на Земле его ни нашли. В мире живого мы тоже находим сходства и тождества. Они поразительным образом коренятся в том, что мы называем видами; мы находим бактерии, деревья, цветы, животных, в пределах каждой такой группы мы видим общие свойства и безошибочно относим всех представителей любой группы к определенному виду. Такие закономерности мы и хотим понять. Мы хотим знать, почему в природе существуют специфические формы, почему эти формы именно таковы, почему они ведут себя именно так, как мы это видим. Для начала, однако, надо изучить некоторые простые свойства природы, которые не носят специфического характера и одинаковы для всех объектов. Настоящая глава посвящена двум таким вопросам — вопросу о тяготении и вопросу о свете.

Тяготение — хорошо известная на Земле сила. Все предметы вокруг нас, большие и малые, притягиваются Землей: они падают вниз, если только их что-либо не поддерживает. Притяжение каждой частицы вещества Землей есть наиболее известный пример действующей в природе силы. Однако понадобились колоссальные усилия и целые столетия работы мысли прежде, чем человечество поняло, что движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца основано на той же силе. Ученые долго считали, что законы, управляющие движением небесных тел, весьма отличны от законов, действующих на Земле. Универсальность законов природы, их справедливость для всей Вселенной были поняты только после Исаака Ньютона.

Луна и планеты не падают ни на Землю, ни на Солнце; как же их движением может управлять сила тяготения? Существует большой разрыв между нашим земным опытом, согласно которому тела падают на Землю, и картиной движения тел по орбитам вокруг какого-то центра в небе (Луна обращается вокруг Земли, планеты — вокруг Солнца). Перекинуть мост от одного к другому — означало сделать решающий шаг в понимании Вселенной. Посмотрим, как это делается.

Предположим, что мы находимся на верхушке очень высокой башни и горизонтально бросаем в пространство камень (рис. 12).

Рис. 12. Траектории камня, брошенного с башни. Траектории а, б и в отвечают бросанию с возрастающей силой. Траектория в никогда не достигнет Земли.

Путь камня изогнется к Земле из-за силы тяжести, и камень упадет на некотором расстоянии от башни. Чем сильнее мы бросим камень, тем более плавно изогнется его путь. Представим себе бросок такой силы, что изгиб траектории будет как раз равняться кривизне земной поверхности, которая, как известно, сферична. В этом случае камень никогда не достигнет Земли, потому что, насколько искривится траектория, настолько же искривляется и поверхность Земли. Мы забросили камень за горизонт. Если бы воздух не замедлял полета, камень кружился бы вокруг Земли как спутник. На этом, конечно, и основан принцип запуска спутников ракетами. В типичном случае первая ступень ракеты поднимает спутник над атмосферой, а вторая — сообщает ему толчок в горизонтальном направлении. Горизонтальная скорость, необходимая для облета Земли по круговой орбите, примерно равна 8 км/сек. Итак, мы видим, каким образом падение может перейти в горизонтальный полет объекта по орбите вокруг Земли, если этот объект получит достаточно сильный горизонтальный толчок.

Посмотрим теперь на орбиту тела вокруг центра притяжения несколько иначе. Когда планета вращается вокруг Солнца, сила тяготения сохраняет орбиту круговой, точно так же, как груз на веревке движется по кругу, если вы вращаете его, держа веревку за другой конец. Сила притяжения уравновешивается центробежной силой, которая при круговом движении стремится столкнуть тело с орбиты наружу.

Центробежная сила (натяжение веревки) тем больше, чем больше оборотов в секунду совершает тело. Она увеличивается также и с удлинением радиуса и, разумеется, пропорциональна массе тела. Легко вычислить центробежную силу, действующую на каждую планету, так как нам известно ее расстояние от Солнца и время обращения.

Центробежная сила точно уравновешивается силой тяготения; поэтому, если мы вычислим центробежную силу на орбите, то тем самым найдем и силу тяготения. Таким способом Ньютон определил силу притяжения планет к Солнцу и спутников планет к самим планетам. Он нашел, что сила тяготения следует очень простому закону: притяжение двух тел прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Например, расстояние между Венерой и Солнцем составляет 0,7 расстояния от Земли до Солнца. Для того чтобы удержать Венеру на орбите при заданном известном времени ее обращения, сила притяжения Венеры к Солнцу должна быть примерно вдвое больше, чем сила притяжения к нему Земли[20]. Это отвечает обратной пропорциональности квадрату расстояния, так как (0,7)2 = 1/2. Так человек вычисляет силу, действующую далеко вне пределов его опыта, силу на небесах.

Чтобы увериться во всеобщности силы притяжения между Солнцем и планетами и доказать, что такая сила действует между любыми двумя массами, надо показать, что таким же способом притягиваются два свинцовых слитка или любые два объекта и что сила их взаимодействия уменьшается, как квадрат расстояния между ними, и прямо пропорциональна произведению масс. Конечно, сила притяжения двух слитков свинца друг к другу чрезвычайно мала, так как их массы очень малы по сравнению с массами небесных тел. Если каждый слиток весит 45 кГ, то действующая между ними сила на расстоянии 30 см так же мала, как и сила притяжения к Земле массы в 0,004 г. Однако эта сила была измерена, и результаты подобных измерений подтвердили справедливость и универсальность закона тяготения.

Всеобщность закона тяготения

Открытый Ньютоном закон тяготения объяснил движение планет по орбитам. Он положил конец древней любимой мечте многих философов. Они мечтали найти чрезвычайно важный смысл в действительных размерах орбит и в длительности периодов обращения планет. Можно было ожидать, что радиусы планетных орбит находятся в простых соотношениях, например, что при переходе от одной планеты к другой радиус каждый раз удваивается или что между ними существует какая-либо иная числовая закономерность. Философы-пифагорейцы, например, придавали особое значение численным отношениям между параметрами небесных орбит и видели в них смысл своей системы. В этих отношениях заключалась «гармония сфер»; предполагалось, что она отражает присущую небесному миру симметрию, в противоположность земному миру, полному беспорядка и начисто лишенному симметрии. Предполагалось, что гармоническая смена небесных движений производит музыку, слышимую духовным ухом и служащую проявлением божественного порядка Вселенной. Даже Кеплер, чей анализ планетных движений привел к открытию закона тяготения, настойчиво пытался объяснить наблюдаемые размеры орбит и для этой цели предложил гипотезу о Вселенной, построенной по модели правильных твердых тел — сферы, куба, тетраэдра и т. д.; одно вписывалось в другое и задавало одну из орбит на основе какого-то глубокого, фундаментального, всеобъемлющего принципа (рис. 13).

Рис. 13. Устройство Кеплера. Модель Вселенной Кеплера, показывающая положение планет по отношению к различным геометрическим образам.

Ньютон показал всю несостоятельность этих представлений. Основным принципом, управляющим движением планет, служит закон тяготения. Он определяет орбиты планет лишь постольку, поскольку требует, чтобы они были окружностями или эллипсами с Солнцем в центре или в фокусе, и устанавливает специальное соотношение между радиусом (или большой осью эллипса) и периодом обращения. Однако этот принцип не предписывает какого-либо специального размера или радиуса орбиты. Действительно, истинный ее размер зависит от условий в начальный период, т. е. в период образования солнечной системы, и от последующих взаимных возмущений орбит. Если бы, например, Земля получила вначале иную скорость, то она вращалась бы по большей орбите. Мало того, если бы вблизи нашей солнечной системы прошла другая звезда, все планетные орбиты изменились бы, и после встречи соотношения между их размерами и периодами стали бы совсем иными.

Отсюда мы видим, что наблюдаемые в настоящее время размеры орбит не имеют большого значения. Они могли бы оказаться и совсем другими, но это не повлекло бы за собой нарушения законов физики. Фундаментальный закон тяготения определяет только общий характер явления. Он допускает непрерывное множество воплощения орбит. Параметры истинных орбит зависят от влияний, которые действовали раньше их установления и без всякого вмешательства извне. Размеры наблюдаемых сегодня орбит, быть может, обусловливаются какими-либо специальными причинами, например какими-либо особыми условиями, преобладавшими при образовании солнечной системы, или влиянием проходивших звезд, но в этих размерах нет никакого особого фундаментального значения. Мы полагаем, что планеты другой звезды движутся по совсем другим орбитам, даже если эта звезда близка к Солнцу по своему строению и размерам.

Благодаря своей всеобщности сила тяготения действует за пределами солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики. Звезды каждой галактики влияют друг на друга вследствие действия сил притяжения, и каждая галактика притягивает другие галактики. Поэтому движением звезд и галактик управляет их взаимное притяжение. Мы пока еще мало знаем об этих движениях, так как их очень трудно наблюдать, и пришлось бы решать очень трудную задачу математического анализа, чтобы найти, как должны двигаться 50 миллиардов звезд под влиянием сил взаимного притяжения. Однако существуют очень веские данные, указывающие на то, что тот же общий принцип управляет движением всех звезд. Звезды, по-видимому, обращаются вокруг общего центра своей галактики таким же образом, как и планеты вокруг Солнца.

Определяются ли движения галактик тоже силами тяготения? Здесь мы приходим к еще не решенной проблеме астрономии. Мы мало знаем об этом, нам известен лишь поразительный факт разбегания галактик — расширения Вселенной. Это движение, очевидно, не может обусловливаться тяготением; должно существовать какое-то другое, еще неизвестное объяснение[21].

Свет

Есть ли что-нибудь, обладающее такой же всеобщностью, как свет? Свет, приходящий от Солнца к Земле, — основа нашего существования. Он приносит тепло и снабжает нашу планету почти всей получаемой ею энергией. Он заставляет расти растения, а ведь мы применяем их как топливо, в виде угля или нефти, или как пищу животных и людей. Единственным источником энергии, не приходящей в виде солнечного света, служат «темные» силы радиоактивности и деление урана. И наконец, — чем тоже нельзя пренебречь — в ярком свете Солнца природа встает перед нами во всей своей красе.

Как сказал Галилей, свет — единственный посланец звезд; он должен рассказать нам почти все, что мы когда-либо узнаем о Вселенной. Кроме скудных сведений, получаемых нами при изучении космических лучей и метеоритов, и того, что нам предстоит еще узнать из космических путешествий, мы не имеем иных сообщений из внеземного мира, кроме сообщений, даваемых светом.

Что такое свет? Ответ на этот вопрос был дан в одном из самых интересных построений физики прошлого века. Световые сигналы идут в пустом пространстве по прямым линиям с определенной постоянной скоростью, равной 3·105 км/сек. За то время, которое требуется, чтобы согнуть палец (0,1 сек), свет успевает пройти расстояние, равное окружности Земли. Как мы говорили в гл. II, свету требуются минуты, чтобы в нашей солнечной системе пройти от планет до Солнца.

Что же происходит между источником и приемником при посылке светового сигнала из одной точки в другую? Сначала полагали, что источник испускает какие-то световые единицы, импульсы или частички, разного рода для разных цветов. Даже великий Ньютон считал, что свет состоит из частичек (хотя он старательно уклонялся от прямых утверждений). В XVII веке Христиан Гюйгенс (Голландия) предположил, что свет — это волновое движение, а Томас Юнг и Огюстен Френель в начале XIX века с несомненностью установили, что световой луч— это волна, распространяющаяся в пространстве.

Что же такое волна? Наиболее известный пример — это волны на воде, но ими не очень удобно пользоваться при рассмотрении световых волн, так как они распространяются по поверхности воды, а световые волны — в трехмерном пространстве. Однако изучение волн на воде помогает понять природу волн вообще.

Волна движется в каком-то носителе. Поверхность воды служит носителем волн на воде. В носителе происходят периодические колебательные изменения: например, поверхность воды движется вверх и вниз. Эти изменения таковы, что они распространяются и образуют характерную картину бегущих волн. Следует ясно понимать, что при распространении волны не происходит никакого перемещения материальной среды. Вместе с волной перемещаются только изменения картины на поверхности воды. Сама вода фактически не переносится. Однако волна может передавать действие от точки к точке. Если в одном месте сосуда сообщить толчок водной поверхности в известном направлении, то результирующая волна передаст этот толчок в другом его месте. Волны на воде могут передавать большие мощности, как мы это иногда видим по их действию на берег моря. Но масса воды не перемещается вместе с волной. Она только движется вверх и вниз, вперед и назад.

Другим примером, более близким к световым волнам, служит звуковая волна в воздухе. Колебательные изменения, которые претерпевает носитель, суть изменения давления воздуха. Если звук производит, скажем, громкоговоритель, то его поверхность движется взад и вперед, вызывая тем самым периодические увеличения и уменьшения давления в слое прилегающего к нему воздуха. Эти изменения бегут во все стороны, точно так же, как волны на поверхности воды, образующиеся при движении вперед и назад вашей руки в воде. Но в воде волны распространяются только на поверхности, а в воздухе — по всем направлениям в пространстве. Такое распространение периодических сгущений и разрежений воздуха и есть звуковая волна. Когда это колебание достигает уха, оно передает давление барабанной перепонке, заставляя ее колебаться так же, как и источник звука. Колебания барабанной перепонки мы и воспринимаем как звук. Чем меньше расстояние между гребнями и впадинами волны, или (что то же самое), чем чаще сменяются сгущения и разрежения, когда волна достигает уха, тем выше воспринимаемый нами звук. Расстояние между двумя последовательными гребнями (или впадинами) называется длиной волны, а число гребней, приходящих за 1 сек к уху (или проходящих мимо любой точки), называется частотой волны. Чем короче волна, тем больше ее частота.

Хотя Гюйгенс и не располагал большим количеством фактов, он еще в 1680 г. предположил, что свет есть волновое движение. Окончательное подтверждение того, что свет есть волна, принадлежит английскому ученому Томасу Юнгу, родившемуся в 1773 г. и первоначально изучавшему медицину. Он занимался проблемами света с 1800 г. и первый нашел решающие факты, показавшие, что свет есть волновое движение.

Почему свет — это волна?

Колебания, происходящие в световой волне, не воспринимаются непосредственно именно как колебания; в волновой природе света нас убеждают лишь косвенные данные, И по сей день наилучшее ее доказательство принадлежит Юнгу. Его доводы основаны на явлении «интерференции». Этот эффект заключается в том, что при некоторых определенных условиях свет, складываясь со светом, дает темноту. Интерференция показывает, что свет есть волна, потому что этот эффект наблюдается тогда, когда гребень одной волны совпадает с впадиной другой. Погрузите по одному пальцу на каждой руке в воду и подвигайте ими, внимательно следя за двумя возникшими волнами, идущими навстречу друг другу. Вы увидите, что волны гасятся во всех местах, в которых гребень одной волны налагается на впадину другой.

Есть много способов демонстрации этого эффекта со световыми волнами. Один из хорошо известных эффектов — появление окрашенных полос или колец, наблюдаемых при растекании тонкого слоя нефти по поверхности воды. Такая же окраска часто видна и на краях масляных пятен на мостовой, В этих случаях свет от неба или от уличных фонарей отражается сначала от верхней поверхности пленки, а затем от нижней. Колебания в световом луче, отраженном от нижней поверхности масляной пленки, отстают от колебаний в луче, отраженном от верхней ее поверхности, на расстояние, равное удвоенной толщине пленки. Оба отраженных луча «интерферируют» следующим образом: если толщина пленки составляет четверть длины волны, второй луч отстает от первого на полволны[22]. Гребень волны, отраженной от одной поверхности, налагается на впадину в отраженной другой поверхностью волне, и получается темнота. В результате интерференции белый дневной свет становится после отражения окрашенным; ведь белый цвет есть комбинация всех цветов. Некоторым цветам соответствуют как раз такие длины волн, которые гасятся при отражении. Тогда окраска отраженного цвета будет определяться остающимися цветами[23].

Вы можете наблюдать интерференционные эффекты в простом опыте. Возьмите патефонную пластинку и, держа ее на уровне глаза, осветите ее лампой так, чтобы свет лампы падал на плоскость пластинки под весьма малым углом. Вы увидите цветной узор на краю пластинки около глаза. Световые лучи, отраженные от различных бороздок, интерферируют друг с другом, давая темные и яркие окрашенные полосы.

Другой пример того же явления показан на рис. 14.